揭秘璀璨夺目的钻石光源

编译 蔡立英

钻石光源上波长为0.1～0.2纳米的X射线束，其亮度比太阳光高100亿倍。当第7 000篇报告钻石光源实验结果的论文发表时，《物理世界》杂志探究了钻石光源这个科学装置为研究各种样品的材料科学家提供了什么：冰淇淋和伦勃朗油画碎屑、下一代数据存储技术、近来面向生物学和物理学界开放的一些配套仪器。

钻石光源鸟瞰图

为极微小结构成像的工具可能是庞然大物。这个容纳钻石光源同步加速器的环形建筑物，周长为783米，而它探测的样品尺寸则小于毫米级，其成像分辨率达到原子水平的细节。该装置于2007年开放，是目前世界上最大的中能同步加速器。它提供了31条量身定制的光束线，分别用于极温和极压条件下的成像，在原子水平上探测电子和磁性材料，破解复杂生物样品的结构，利用微聚焦光谱学绘制复杂材料的化学成分图，以及纳米成像。

“钻石光源”这个名字，与它所产生的X射线的特性有关——像钻石一样既硬又亮。这里“硬”是指更高能的X射线电磁波谱区，所以能分辨更微小的结构。为了产生X射线，从阴极通过热电子发射产生的电子，先后在一个直线加速器和一个增强器中加速，达到接近光速的速度，然后在一个周长约为560米的储存环中循环运行。磁铁引导电子束在储存环中运动，每次电子束穿过这些磁铁，都会发出同步辐射光。同步辐射光的参数，比如光谱波长和极化强度，都受到了严格控制，以便根据不同的实验进行参数优化，而且高规格的样品装置和计量设备也有助于高分辨率数据映射。

保护油画《荷马》

英国芬登（Finden）公司研究员斯蒂芬·普赖斯（Stephen Price）曾在钻石光源工作，目前与位于荷兰首都阿姆斯特丹的荷兰国家博物馆合作，研究荷兰著名画家伦勃朗1663年的油画《荷马》（Homer）的样品。正如他所解释，尽管油画保护专家付出了最专业的努力，油画上还是形成了白翳，这就是他们研究的样品。他的目标是分辨出白翳的化学成分，从而有望解决今后如何避免白翳形成的问题。

普赖斯说：“一般来说，实验室用的衍射仪有较大的光束剖面，尺寸达到几毫米，而我们这里研究的样品尺寸远小于1毫米。”他解释，即使实验室用的X射线源能够分辨相位，还是得不到这些相位是在表面、中间还是紧贴着画布的空间信息。“更进一步的问题在于，实验室用的X射线源没有为如此微量样品成像的X射线通量。”他补充道。

使用钻石光源的微聚焦X射线束，从不同的角度扫描样品，能显示出含铅颜料如何与空气中的二氧化硫等污染物发生相互作用，从而形成让油画破相的白翳。“利用这一信息，荷兰国家博物馆的保护团队就能进一步研究如何避免并逆转这一油画老化过程。”普赖斯说。

伦勃朗油画《荷马》，绘于1663年

完美的冰淇淋

除了在高端艺术方面，钻石光源还在美食文化方面做出了贡献，比如研究让冰淇淋变得如此好吃的奥秘。冰淇淋代表了口感、质感与滋味俱佳的食物。研究的结果是，完美的冰淇淋取决于材料科学研究中的重要问题——微结构特性。

超过-30°C，晶体和泡沫大小与未凝冻结构的微平衡开始瓦解，从而你在吃冰淇淋时会感到失望，冰淇淋中储存的温度在冷热之间循环，这个过程可以毫不夸张地描述为“热滥用”。对冰淇淋的X射线研究表明，冰淇淋经过14个热滥用循环后，其中的冰晶和气泡增加，而在经过7个热滥用循环后，增加的冰晶和气泡则更少一点。不过，要理解不同的微结构特性，还需对冷热循环本身进行原位研究（译注：化学中的原位是指“在反应过程中”）。

“这项研究还揭示了其他有趣现象，包括未凝冻结构在维持冰淇淋的微结构稳定性方面的作用，以及冰晶和气泡之间复杂的相互作用，”彼得·李（Peter Lee）解释说，他是紧邻钻石光源的哈韦尔研究综合体（RCaH）的代理主任，也是在这些研究结果中发挥主导作用的研究者之一，“比如，冰晶的融化和再结晶显著影响了气泡的形态和未凝冻结构的特性。”

斯格米子数据存储前景的转折点

过去几十年来，磁性材料被广泛应用于计算机存储，但是随着存储设备的压缩和对存储量的要求不断提高，科学家对可能的存储器材料替代品一直有着浓厚的兴趣，近来看好的候选者是磁性斯格米子（magnetic skyrmions）。在这些纳米尺度的磁性准粒子中，场矢量沿着扭曲的涡旋指向空间中的一个点，或从空间中的一个点指离。由于磁性斯格米子很小、稳定和对环境敏感，吸引了研究下一代数据存储技术以及自旋电子学的很多科学家的兴趣，但是问题仍是表面如何影响斯格米子。

英国牛津大学的张石磊及其英国、德国和瑞士的同事利用钻石光源环形极化的X射线谐振弹性散射，能得到距离表面数百纳米远的斯格米子的扭曲类型发生改变的信息。张石磊说：“这对于在表面主导的体系中创造斯格米子具有深远意义，而且在更普遍的意义上识别深藏于大块材料中的表面诱导的渐变，及其对量身定制的功能的影响，这是一个未知的科学领域。”

上述研究成果发表在《美国国家科学院院刊》（PNAS）上，是报告钻石光源的实验成果的第7 000篇论文。钻石光源物理学部主任洛朗·沙蓬（Laurent Chapon）指出：“钻石光源的第7 000篇论文示范了推动人类进步的基础研究和应用科技之间的联系。”

技术的关键在于精度

光束线站的光学棚屋是聚光和滤光的地方，可以设在距离实验发生的实验站非常远的地方。朱莉娅·帕克（Julia Parker）在光束线站从事纳米尺度研究，把样品安装在距离硬纳米探针光束线站的光学棚屋185米远的一个实验站中，从而使得聚光镜与样品之间的距离最大化。光束沿着衰减可忽略不计的真空管线传播到实验站，而用户能在实验站隔壁的控制室控制所有参数。“如果你想，你甚至能在家里改变实验参数，”帕克补充道。

硬纳米探针光束线站的光束大小是50纳米，于2017年3月向用户开放。用户可以得到分辨率为50纳米的化学和结构信息，所用光束能量范围是5～23 keV，有机和无机样品均适合在压力、潮湿和加热条件下进行原位测量。

光束线站科学家帕克向《物理世界》编辑安娜·德明（Anna Demming）展示了纳米探针光束线站I14的实验站

尽管钻石光源的科研装置的技术规格令人印象深刻，设施改进一直在进行中。一个最近的进展是引入了一种设备，能一次转过1纳弧度，相当于地球上的望远镜为了看月球上的一个脚印的脚趾或脚跟而要转过的角度。该设备使得聚焦X射线束的反射镜测试和观察效果更佳，示范了能进行如此高精度实验的钻石光源的仪器精度水平。

最先进的电子显微镜

2016年，钻石光源宣布专门面向物理学界的需求，开放一个电子显微镜成像中心。电子物理学成像中心（ePSIC）是钻石光源、牛津大学和催化剂公司庄信万丰集团的合作项目，在同行评议的基础上免费向用户开放。该中心拥有两个最先进的透射电子显微镜（TEM），其电子束加速电压分别为200kV和300kV，能够分辨只有47皮米大小的形状。正如帕克所指出，这些配套设施对于纳米光束线实验非常有用，因为实验中的样品尺寸是一个主要的挑战。这些设施也吸引了不使用主要X射线源开展研究项目的研究者。

“我们提供了一个非常高性能的仪器，还配备了专业技术支撑人员，这样即使自己没有专门技能来驱动仪器的用户也可以来这里，我们的技术支撑科学家将会帮助用户开展实验，”牛津大学材料学教授、ePSIC科学主管安格斯·柯克兰（Angus Kirkland）解释说。

核工业研究

ePSIC的实验包括对二维材料、催化剂材料、电池及其他能源应用，以及航空航天用钢和核工业材料的研究。牛津大学材料学教授克里斯·格罗文纳（Chris Grovenor）利用ePSIC的电子显微镜来研究锆合金的腐蚀现象。锆合金是核工业中用于压水反应堆（PWR）的优选包壳合金，其作用是把水与二氧化铀燃料分离，因为一旦两者发生混合，则会发生难以置信的危险。在反应堆内部，锆易受高热、高压和中子辐射损伤的影响，从而受腐蚀形成氧化物层。

ePSIC科学主管安格斯·柯克兰在300 kV透射电子显微镜前

目前，对于燃料棒能留在反应堆里多久，直到锆受腐蚀使燃料包壳变脆，核工业执行的是非常保守的估计，所以只燃烧掉30%～40%的铀。格罗文纳解释说:“每次，你把反应堆关停1天，以反应堆未能产出的核能计算，损失就达100万英镑。”他补充道，具备足够的知识让燃料棒留在反应堆里更久，也会减少核废料。他和他的团队正在研究，在原子尺度上，氧化物是如何形成的，从而更好了解锆在反应堆条件下能维持多久才需要更换。

ePSIC的新进展

经过10年左右的快速发展后，显微镜的硬件发展进入了停滞期。正如技术支撑科学家克里斯·艾伦（Chris Allen）所指出，现在的兴趣点是如何处理硬件，而这里科学家越来越关注的焦点是原位实验，比如，成像发生在接近于催化剂起作用的温度和压力条件下。

科学家对高速成像（4D TEM）也非常感兴趣，可以用来探究快速动态过程，比如缺陷和杂质的演变。多亏钻石光源的衍生公司开发了超快成像相机，ePSIC的科学家们近水楼台先得月，很早就使用了这项技术。“国际上可以接触到这些相机的实验室并不是很多。”艾伦说。随着相机帧速率的提高，计算化学家能达到的模拟时间尺度也随之提高，接近毫秒级的时间尺度。“所以，我们有望达到这样的阶段，即我们能把计算化学家所说的各种性状的寿命同我们的成像直接进行比较，对我而言，这是非常激动人心的。”

为低温冷冻的生物样品成像

那么，这些为合金和二维材料成像的世界一流设施把研究生物样品的科学家置于何地呢？钻石光源从英国卫康信托基金会、英国医学研究理事会（MRC）以及生物技术与生物科学研究理事会（BBSRC）获得一笔1 560万英镑的资助奖励后，于2015年6月上线了其电子生物成像中心（eBIC）的首个显微镜，就是面向这个用户群体。该中心现在拥有若干世界一流的显微镜，包括用于细胞和其他冷冻水合生物样品成像的冷冻电子显微镜，而且技术支撑科学家在样品的单粒子分析和冷冻断层扫描两方面，均能协助用户。

钻石光源拥有两个现成的电子显微镜中心，提供了一整套配套仪器，来帮助研究者拓展对材料科学的认知边界，材料科学领域充满了交叉学科的研究进展。用钻石光源科学主管沙蓬的话来说，就是：“科学发现在钻石光源也许不过是每天都会发生的事，不过并不因此而失去光泽，仍像钻石一样璀璨夺目。”

资料来源 Physics World