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“错位”晶体的晶体学:先进的算法揭示了材料结构

2022-01-22 10:50 · 稿源: cnbeta

与詹姆斯·沃森共同发现了DNA双螺旋结构的英国著名生物学家弗朗西斯·克里克曾经说过:“如果你想了解功能,就研究结构。”几十年后,这仍然是生物学、化学和材料科学的一个原则。寻求DNA结构的一个关键突破来自于X射线晶体学这是一种根据X射线辐射束如何通过样品中的原子间的空间进行衍射来描绘分子中电子密度的技术。晶体学产生的衍射图案然后可以用来推断整体分子结构。

由于几十年来不断取得的进展,X射线晶体学现在比克里克时代强大得多,甚至可以揭示出单个原子的位置。

然而,这一过程并不容易。顾名思义,它需要晶体——特别是感兴趣的分子的纯化样品,被诱导成晶体形式。并不是所有的分子都可以形成适合拍照的晶体。

美国国家劳伦斯伯克利国家实验室(Berkeley Lab)分子生物物理学和综合生物成像(MBIB)部门的计算机高级科学家Nicholas Sauter说:“当材料可以生长成一个大的单晶时,X射线晶体学是最直接的。然而,大多数物质反而形成了由小颗粒组成的粉末,其X射线衍射图案更难拆分。”

Sauter正在共同领导一个团队,致力于为科学家提供一种更好的方法来研究许多不形成整齐的单晶的材料的结构,如太阳能吸收剂和金属有机框架:这两种不同的材料组在应对气候变化和生产可再生能源方面具有巨大的潜力。

他们的新技术被称为小分子串行飞秒X射线晶体学,或smSFX,通过添加定制的图像处理算法和X射线自由电子激光器(XFEL)对传统的晶体学进行增压。XFEL是由粒子加速器和激光物理学融合而成的,它可以指向比其他晶体学X射线源更强大、更集中、更快速的X射线束。整个过程,从X射线脉冲到衍射图像,在几万亿分之一秒内完成。

MBIB项目科学家、该团队新论文的作者Daniel Paley说:“这是毁灭前的衍射,”该论文于2022年1月19日发表在《自然》上。“我们的想法是,当晶体被这束光子击中时,它将瞬间爆炸,但通过飞秒脉冲,你可以在损害发生之前收集所有的衍射数据。这真是太酷了。”

Paley和MBIB的研究科学家Aaron Brewster开发了将XFEL数据转换为高质量衍射图案所需的算法,通过分析可以揭示样品中每个微小晶粒的单元格--晶体的基本单元,在三维空间中不断重复。

Paley解释说,当你有一个真正的粉末时,它就像有一百万个晶体,这些晶体都混杂在一起,充满了不完美,并且在每一个可能的方向上都乱七八糟。smSFX是如此精确,以至于它可以一次衍射出单个的颗粒,而不是将整个混乱的晶体衍射在一起,得到电子密度的模糊读数(这就是现有粉末衍射技术的情况)。“这给了它一个特殊的锐化效果,”他说。“因此,这实际上是这整个方法的一种秘诀。通常情况下,你一次拍摄一百万个,但现在你依次拍摄一万个。”

最重要的是,smSFX无需冷冻样品或将其暴露在真空中即可执行——材料科学家研究的精密材料的另一个好处。“不需要花哨的真空室,”Sauter 说。

在这项新研究中,该团队展示了smSFX的原理证明,然后更进一步。他们报告了两种金属有机材料的先前未知的结构,称为 chacogenolates。康涅狄格大学的化学家物理学家、该项目的第三位联合负责人 Nathan Hohman 研究了硫属化合物的半导体和光相互作用特性,这可能使它们成为下一代晶体管、光伏(太阳能电池和面板)、储能的理想选择设备和传感器。

借助 smSFX,Hohman 和研究生 Elyse Schriber能够成功地衍射粉末硫属化物并检查其结构,以了解为什么一些银基材料在紫外线下会发出亮蓝色,科学家们亲切地将这一现象与《指环王》中佛罗多·巴金斯的剑相提并论。

“在超快的时间尺度上发生了大量令人着迷的物理甚至化学动力学,我们的实验可以帮助将材料的结构与其功能之间的点联系起来,”伯克利实验室的附属机构和霍曼实验室的研究员 Schriber 说。“在进一步改进以简化 smSFX 流程后,我们可以想象将这种技术提供给其他研究人员的程序。这些类型的项目对于增加对光源设施的使用是不可或缺的,尤其是对于较小的大学和学院而言。”

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