X射線三維成像“飛入尋常實驗室”

美國密歇根大學研究團隊在最新一期《自然·通訊》雜志發表論文稱，他們成功研制出實驗室級3DXRD系統，首次在常規實驗環境下實現X射線三維衍射技術（3DXRD），并成功解析了金屬、陶瓷等材料的微觀結構。這項突破使原本依賴粒子加速器的尖端技術“飛入尋常實驗室”，為材料科學研究開辟了新途徑。

3DXRD技術是通過多角度X射線照射，構建出物體的三維圖像。其獨特之處在于，將毫米級材料樣品“沐浴”在超強X射線束中旋轉，光束強度達到醫用X射線的百萬倍量級。如此高強度的照射，能清晰呈現多晶材料（構成金屬、陶瓷等物質的微觀晶體）的精細結構，揭示材料承受機械應力時的奧秘。比如，通過觀察承重鋼梁樣本的晶體變化，就能了解建筑物結構老化的微觀機制。

然而，過去這項技術只能依托同步加速器來實現。這種粒子加速器能讓電子釋放高強度X射線。但目前全球僅有70余臺同步加速器，可謂“一機難求”。科研團隊不僅需要競爭立項，還要經歷半年到兩年的排隊等待，且最終實驗時間往往不超過6天。

為讓3DXRD技術惠及更多研究者，團隊開發出實驗室級的3DXRD系統。傳統設備受限于固態金屬陽極的熔點，而新技術采用液態金屬噴射陽極，既避免了熔化風險，又大幅提升了X射線輸出強度。

為驗證系統可靠性，團隊讓新型實驗室級3DXRD、同步加速器3DXRD和實驗室衍射斷層掃描技術“同臺競技”，同時檢測鈦合金樣品。結果顯示，實驗室級3DXRD準確識別了96%的晶體結構，尤其對60微米以上的大晶體解析效果卓越。

團隊表示，未來配備更高靈敏度探測器后，將能捕捉更細微的晶體特征。這項突破不僅讓科學家能隨時開展預實驗，更打破了同步加速器6天的時限枷鎖，對于研究材料在反復應力作用下的長期演變（如數千次循環載荷測試）具有革命性意義。