與詹姆斯·沃森共同發現了DNA雙螺旋結構的英國著名生物學家弗朗西斯·克里克曾經說過：“如果你想了解功能，就研究結構。”幾十年後，這仍然是生物學、化學和材料科學的一個原則。尋求DNA結構的一個關鍵突破來自於X射線晶體學，這是一種根據X射線輻射束如何通過樣品中的原子間的空間進行衍射來描繪分子中電子密度的技術。晶體學產生的衍射圖案然後可以用來推斷整體分子結構。
由於幾十年來不斷取得的進展，X射線晶體學現在比克里克時代強大得多，甚至可以揭示出單個原子的位置。
然而，這一過程並不容易。顧名思義，它需要晶體——特別是感興趣的分子的純化樣品，被誘導成晶體形式。並不是所有的分子都可以形成適合拍照的晶體。
美國國家勞倫斯伯克利國家實驗室（Berkeley Lab）分子生物物理學和綜合生物成像（MBIB）部門的計算機高級科學家Nicholas Sauter說：“當材料可以生長成一個大的單晶時，X射線晶體學是最直接的。然而，大多數物質反而形成了由小顆粒組成的粉末，其X射線衍射圖案更難拆分。”
Sauter正在共同領導一個團隊，致力於為科學家提供一種更好的方法來研究許多不形成整齊的單晶的材料的結構，如太陽能吸收劑和金屬有機框架：這兩種不同的材料組在應對氣候變化和生產可再生能源方面具有巨大的潛力。
他們的新技術被稱為小分子串行飛秒X射線晶體學，或smSFX，通過添加定製的圖像處理算法和X射線自由電子激光器（XFEL）對傳統的晶體學進行增壓。XFEL是由粒子加速器和激光物理學融合而成的，它可以指向比其他晶體學X射線源更強大、更集中、更快速的X射線束。整個過程，從X射線脈衝到衍射圖像，在幾萬億分之一秒內完成。
MBIB項目科學家、該團隊新論文的作者Daniel Paley說：“這是毀滅前的衍射，”該論文於2022年1月19日發表在《自然》上。“我們的想法是，當晶體被這束光子擊中時，它將瞬間爆炸，但通過飛秒脈衝，你可以在損害發生之前收集所有的衍射數據。這真是太酷了。”
Paley和MBIB的研究科學家Aaron Brewster開發了將XFEL數據轉換為高質量衍射圖案所需的算法，通過分析可以揭示樣品中每個微小晶粒的單元格–晶體的基本單元，在三維空間中不斷重複。
Paley解釋說，當你有一個真正的粉末時，它就像有一百萬個晶體，這些晶體都混雜在一起，充滿了不完美，並且在每一個可能的方向上都亂七八糟。smSFX是如此精確，以至於它可以一次衍射出單個的顆粒，而不是將整個混亂的晶體衍射在一起，得到電子密度的模糊讀數（這就是現有粉末衍射技術的情況）。“這給了它一個特殊的銳化效果，”他說。“因此，這實際上是這整個方法的一種秘訣。通常情況下，你一次拍攝一百萬個，但現在你依次拍攝一萬個。”
最重要的是，smSFX無需冷凍樣品或將其暴露在真空中即可執行——材料科學家研究的精密材料的另一個好處。“不需要花哨的真空室，”Sauter 說。
在這項新研究中，該團隊展示了smSFX的原理證明，然後更進一步。他們報告了兩種金屬有機材料的先前未知的結構，稱為 chacogenolates。康涅狄格大學的化學家物理學家、該項目的第三位聯合負責人 Nathan Hohman 研究了硫屬化合物的半導體和光相互作用特性，這可能使它們成為下一代晶體管、光伏（太陽能電池和面板）、儲能的理想選擇設備和傳感器。
藉助 smSFX，Hohman 和研究生 Elyse Schriber能夠成功地衍射粉末硫屬化物並檢查其結構，以了解為什麼一些銀基材料在紫外線下會發出亮藍色，科學家們親切地將這一現象與《指環王》中佛羅多·巴金斯的劍相提並論。
“在超快的時間尺度上發生了大量令人着迷的物理甚至化學動力學，我們的實驗可以幫助將材料的結構與其功能之間的點聯繫起來，”伯克利實驗室的附屬機構和霍曼實驗室的研究員 Schriber 說。“在進一步改進以簡化 smSFX 流程后，我們可以想象將這種技術提供給其他研究人員的程序。這些類型的項目對於增加對光源設施的使用是不可或缺的，尤其是對於較小的大學和學院而言。”