厲害了！這種新型X射線衍射技術竟能探測到材料原子層面的三維變化！

每個人在壓力下的反應都不同，同樣的道理也適用於晶體中排列有序的原子。如果科學家能獲取壓力下原子平面移動和擠壓的清晰圖像，那麼他們就可以利用這些原子屬性來服務於新興技術，如納米電子學和新一代半導體元件，為其提供額外的速度或功能。然而，想要獲取這些圖像，則需要一些新的技術，來針對各種材料中的原子及其在不同環境下的反應進行成像。

最近

Fresnel研究所、IBM和美國能源部（DOE）阿貢國家實驗室的科學家們開發了一種新型的X射線衍射成像技術——布拉格單角投影疊層成像（Bragg single-angle ptychography）。

美國阿貢國家實驗室的科學家們利用一種稱為布拉格單角投影疊層成像（Bragg single-angle ptychography）的X射線衍射新技術，獲取了原子平面在壓力作用下進行移動和擠壓的清晰圖像。

圖片來源

Robert Horn/Argonne National Laboratory

儘管X射線衍射技術已經廣為人知，但布拉格單角投影疊層成像技術能夠從單一入射光束角處測量一系列二維X射線布拉格相干強度，並對其衍射圖案進行三維圖像重建，從而使人們獲知壓力是如何影響材料的。

在X射線衍射中，當X射線照射到材料中的原子面時，原子發出「散射」波，因此在檢測器上會產生一個信號。因為這個過程中存在大量的重疊衍射，所以我們很難確定一個特定的小晶格對整體信號的影響。為了彌補這一點，科學家們利用一種名為傅里葉分析的方法，它實際上是將整個信號轉換為一系列高低不同的波，如高峰和低谷，來對應各個部分信號的相對強度。

然而，採用常規X射線衍射只能獲得材料的部分信息，「為了能夠真正觀察和理解在現實空間中材料的應變，你既需要強度信息，也需要相位信息，」阿貢實驗室材料科學家Stephan Hruszkewycz說道：「我們需要的是一種能用來探究衍射模式下消失相的技術。」

所謂的「相」，你可以假想成一個人向平靜的水面拋下一塊堅硬的石頭後所引起的拍打在岸邊的波浪。通過測量到達岸邊的波浪高度以及到達時間，我們就可以看到這個波浪背後的信息，即你向水中投入的那塊石頭最終達到的位置及其大小。然而，X射線探測器只能測量波浪的高度；而波浪到達岸邊的時間即相，必須通過其他手段才能獲知。

這種新技術的訣竅在於投影疊層成像，它能夠通過對晶體的同一區域多次採樣來重現相位信息。在各光束位置之間，只需對X射線束做出輕微移動，同時保證達到60%的實際空間重疊，研究團隊就能夠提取有關相位的信息。

然而，真正的進步不是來自通過衍射所獲得的信息，而是光束本身的定位。因為研究人員確切地知道光束的位置以及晶體原子平面散射的X射線角度，所以他們就能夠提取在三維空間上壓力是如何影響材料的額外信息。

Hruszkewycz說道

「大多數衍射技術，包括一些投影疊層成像技術，僅能給出一個樣本的2D成像，同時相較於那些能夠生成材料三維信息的技術，這項新技術對於相關儀器技術的要求明顯更低。」

該研究已經發表於近期的《Nature Materials》雜誌網路版上。

文中部分圖片來源自網路

信息來源:美國阿貢國家實驗室

譯者：兔子小光

譯自：sciencedaily

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