揭秘璀璨奪目的鉆石光源

編譯 蔡立英

鉆石光源上波長為0.1～0.2納米的X射線束，其亮度比太陽光高100億倍。當第7 000篇報告鉆石光源實驗結果的論文發表時，《物理世界》雜志探究了鉆石光源這個科學裝置為研究各種樣品的材料科學家提供了什么：冰淇淋和倫勃朗油畫碎屑、下一代數據存儲技術、近來面向生物學和物理學界開放的一些配套儀器。

鉆石光源鳥瞰圖

為極微小結構成像的工具可能是龐然大物。這個容納鉆石光源同步加速器的環形建筑物，周長為783米，而它探測的樣品尺寸則小于毫米級，其成像分辨率達到原子水平的細節。該裝置于2007年開放，是目前世界上最大的中能同步加速器。它提供了31條量身定制的光束線，分別用于極溫和極壓條件下的成像，在原子水平上探測電子和磁性材料，破解復雜生物樣品的結構，利用微聚焦光譜學繪制復雜材料的化學成分圖，以及納米成像。

“鉆石光源”這個名字，與它所產生的X射線的特性有關——像鉆石一樣既硬又亮。這里“硬”是指更高能的X射線電磁波譜區，所以能分辨更微小的結構。為了產生X射線，從陰極通過熱電子發射產生的電子，先后在一個直線加速器和一個增強器中加速，達到接近光速的速度，然后在一個周長約為560米的儲存環中循環運行。磁鐵引導電子束在儲存環中運動，每次電子束穿過這些磁鐵，都會發出同步輻射光。同步輻射光的參數，比如光譜波長和極化強度，都受到了嚴格控制，以便根據不同的實驗進行參數優化，而且高規格的樣品裝置和計量設備也有助于高分辨率數據映射。

保護油畫《荷馬》

英國芬登（Finden）公司研究員斯蒂芬·普賴斯（Stephen Price）曾在鉆石光源工作，目前與位于荷蘭首都阿姆斯特丹的荷蘭國家博物館合作，研究荷蘭著名畫家倫勃朗1663年的油畫《荷馬》（Homer）的樣品。正如他所解釋，盡管油畫保護專家付出了最專業的努力，油畫上還是形成了白翳，這就是他們研究的樣品。他的目標是分辨出白翳的化學成分，從而有望解決今后如何避免白翳形成的問題。

普賴斯說：“一般來說，實驗室用的衍射儀有較大的光束剖面，尺寸達到幾毫米，而我們這里研究的樣品尺寸遠小于1毫米。”他解釋，即使實驗室用的X射線源能夠分辨相位，還是得不到這些相位是在表面、中間還是緊貼著畫布的空間信息。“更進一步的問題在于，實驗室用的X射線源沒有為如此微量樣品成像的X射線通量。”他補充道。

使用鉆石光源的微聚焦X射線束，從不同的角度掃描樣品，能顯示出含鉛顏料如何與空氣中的二氧化硫等污染物發生相互作用，從而形成讓油畫破相的白翳。“利用這一信息，荷蘭國家博物館的保護團隊就能進一步研究如何避免并逆轉這一油畫老化過程。”普賴斯說。

倫勃朗油畫《荷馬》，繪于1663年

完美的冰淇淋

除了在高端藝術方面，鉆石光源還在美食文化方面做出了貢獻，比如研究讓冰淇淋變得如此好吃的奧秘。冰淇淋代表了口感、質感與滋味俱佳的食物。研究的結果是，完美的冰淇淋取決于材料科學研究中的重要問題——微結構特性。

超過-30°C，晶體和泡沫大小與未凝凍結構的微平衡開始瓦解，從而你在吃冰淇淋時會感到失望，冰淇淋中儲存的溫度在冷熱之間循環，這個過程可以毫不夸張地描述為“熱濫用”。對冰淇淋的X射線研究表明，冰淇淋經過14個熱濫用循環后，其中的冰晶和氣泡增加，而在經過7個熱濫用循環后，增加的冰晶和氣泡則更少一點。不過，要理解不同的微結構特性，還需對冷熱循環本身進行原位研究（譯注：化學中的原位是指“在反應過程中”）。

“這項研究還揭示了其他有趣現象，包括未凝凍結構在維持冰淇淋的微結構穩定性方面的作用，以及冰晶和氣泡之間復雜的相互作用，”彼得·李（Peter Lee）解釋說，他是緊鄰鉆石光源的哈韋爾研究綜合體（RCaH）的代理主任，也是在這些研究結果中發揮主導作用的研究者之一，“比如，冰晶的融化和再結晶顯著影響了氣泡的形態和未凝凍結構的特性。”

斯格米子數據存儲前景的轉折點

過去幾十年來，磁性材料被廣泛應用于計算機存儲，但是隨著存儲設備的壓縮和對存儲量的要求不斷提高，科學家對可能的存儲器材料替代品一直有著濃厚的興趣，近來看好的候選者是磁性斯格米子（magnetic skyrmions）。在這些納米尺度的磁性準粒子中，場矢量沿著扭曲的渦旋指向空間中的一個點，或從空間中的一個點指離。由于磁性斯格米子很小、穩定和對環境敏感，吸引了研究下一代數據存儲技術以及自旋電子學的很多科學家的興趣，但是問題仍是表面如何影響斯格米子。

英國牛津大學的張石磊及其英國、德國和瑞士的同事利用鉆石光源環形極化的X射線諧振彈性散射，能得到距離表面數百納米遠的斯格米子的扭曲類型發生改變的信息。張石磊說：“這對于在表面主導的體系中創造斯格米子具有深遠意義，而且在更普遍的意義上識別深藏于大塊材料中的表面誘導的漸變，及其對量身定制的功能的影響，這是一個未知的科學領域。”

上述研究成果發表在《美國國家科學院院刊》（PNAS）上，是報告鉆石光源的實驗成果的第7 000篇論文。鉆石光源物理學部主任洛朗·沙蓬（Laurent Chapon）指出：“鉆石光源的第7 000篇論文示范了推動人類進步的基礎研究和應用科技之間的聯系。”

技術的關鍵在于精度

光束線站的光學棚屋是聚光和濾光的地方，可以設在距離實驗發生的實驗站非常遠的地方。朱莉婭·帕克（Julia Parker）在光束線站從事納米尺度研究，把樣品安裝在距離硬納米探針光束線站的光學棚屋185米遠的一個實驗站中，從而使得聚光鏡與樣品之間的距離最大化。光束沿著衰減可忽略不計的真空管線傳播到實驗站，而用戶能在實驗站隔壁的控制室控制所有參數。“如果你想，你甚至能在家里改變實驗參數，”帕克補充道。

硬納米探針光束線站的光束大小是50納米，于2017年3月向用戶開放。用戶可以得到分辨率為50納米的化學和結構信息，所用光束能量范圍是5～23 keV，有機和無機樣品均適合在壓力、潮濕和加熱條件下進行原位測量。

光束線站科學家帕克向《物理世界》編輯安娜·德明（Anna Demming）展示了納米探針光束線站I14的實驗站

盡管鉆石光源的科研裝置的技術規格令人印象深刻，設施改進一直在進行中。一個最近的進展是引入了一種設備，能一次轉過1納弧度，相當于地球上的望遠鏡為了看月球上的一個腳印的腳趾或腳跟而要轉過的角度。該設備使得聚焦X射線束的反射鏡測試和觀察效果更佳，示范了能進行如此高精度實驗的鉆石光源的儀器精度水平。

最先進的電子顯微鏡

2016年，鉆石光源宣布專門面向物理學界的需求，開放一個電子顯微鏡成像中心。電子物理學成像中心（ePSIC）是鉆石光源、牛津大學和催化劑公司莊信萬豐集團的合作項目，在同行評議的基礎上免費向用戶開放。該中心擁有兩個最先進的透射電子顯微鏡（TEM），其電子束加速電壓分別為200kV和300kV，能夠分辨只有47皮米大小的形狀。正如帕克所指出，這些配套設施對于納米光束線實驗非常有用，因為實驗中的樣品尺寸是一個主要的挑戰。這些設施也吸引了不使用主要X射線源開展研究項目的研究者。

“我們提供了一個非常高性能的儀器，還配備了專業技術支撐人員，這樣即使自己沒有專門技能來驅動儀器的用戶也可以來這里，我們的技術支撐科學家將會幫助用戶開展實驗，”牛津大學材料學教授、ePSIC科學主管安格斯·柯克蘭（Angus Kirkland）解釋說。

核工業研究

ePSIC的實驗包括對二維材料、催化劑材料、電池及其他能源應用，以及航空航天用鋼和核工業材料的研究。牛津大學材料學教授克里斯·格羅文納（Chris Grovenor）利用ePSIC的電子顯微鏡來研究鋯合金的腐蝕現象。鋯合金是核工業中用于壓水反應堆（PWR）的優選包殼合金，其作用是把水與二氧化鈾燃料分離，因為一旦兩者發生混合，則會發生難以置信的危險。在反應堆內部，鋯易受高熱、高壓和中子輻射損傷的影響，從而受腐蝕形成氧化物層。

ePSIC科學主管安格斯·柯克蘭在300 kV透射電子顯微鏡前

目前，對于燃料棒能留在反應堆里多久，直到鋯受腐蝕使燃料包殼變脆，核工業執行的是非常保守的估計，所以只燃燒掉30%～40%的鈾。格羅文納解釋說:“每次，你把反應堆關停1天，以反應堆未能產出的核能計算，損失就達100萬英鎊。”他補充道，具備足夠的知識讓燃料棒留在反應堆里更久，也會減少核廢料。他和他的團隊正在研究，在原子尺度上，氧化物是如何形成的，從而更好了解鋯在反應堆條件下能維持多久才需要更換。

ePSIC的新進展

經過10年左右的快速發展后，顯微鏡的硬件發展進入了停滯期。正如技術支撐科學家克里斯·艾倫（Chris Allen）所指出，現在的興趣點是如何處理硬件，而這里科學家越來越關注的焦點是原位實驗，比如，成像發生在接近于催化劑起作用的溫度和壓力條件下。

科學家對高速成像（4D TEM）也非常感興趣，可以用來探究快速動態過程，比如缺陷和雜質的演變。多虧鉆石光源的衍生公司開發了超快成像相機，ePSIC的科學家們近水樓臺先得月，很早就使用了這項技術。“國際上可以接觸到這些相機的實驗室并不是很多。”艾倫說。隨著相機幀速率的提高，計算化學家能達到的模擬時間尺度也隨之提高，接近毫秒級的時間尺度。“所以，我們有望達到這樣的階段，即我們能把計算化學家所說的各種性狀的壽命同我們的成像直接進行比較，對我而言，這是非常激動人心的。”

為低溫冷凍的生物樣品成像

那么，這些為合金和二維材料成像的世界一流設施把研究生物樣品的科學家置于何地呢？鉆石光源從英國衛康信托基金會、英國醫學研究理事會（MRC）以及生物技術與生物科學研究理事會（BBSRC）獲得一筆1 560萬英鎊的資助獎勵后，于2015年6月上線了其電子生物成像中心（eBIC）的首個顯微鏡，就是面向這個用戶群體。該中心現在擁有若干世界一流的顯微鏡，包括用于細胞和其他冷凍水合生物樣品成像的冷凍電子顯微鏡，而且技術支撐科學家在樣品的單粒子分析和冷凍斷層掃描兩方面，均能協助用戶。

鉆石光源擁有兩個現成的電子顯微鏡中心，提供了一整套配套儀器，來幫助研究者拓展對材料科學的認知邊界，材料科學領域充滿了交叉學科的研究進展。用鉆石光源科學主管沙蓬的話來說，就是：“科學發現在鉆石光源也許不過是每天都會發生的事，不過并不因此而失去光澤，仍像鉆石一樣璀璨奪目。”

資料來源 Physics World