形成微小晶體的化合物擁有可能加速可再生能源生產和半導體發展的秘密。對其原子排列的發現已經導致了材料研究和太陽能電池方面的進步。然而現有的確定這些結構的技術可能會對脆弱的微晶體造成傷害。
現在，科學家們在他們的工具帶中有了一個新的工具：一個用來自X射線自由電子激光器(XFEL)的超快脈衝調查數以千計的微晶體的系統，它可以在損害發生之前收集結構信息。這種方法在過去十年中被開發出來，用於在能源部的SLAC國家加速器實驗室研究蛋白質和其他大型生物分子，現在首次被應用於化學和材料科學感興趣的小分子。
來自康涅狄格大學、SLAC、能源部勞倫斯伯克利國家實驗室和其他機構的研究人員開發了這種被稱為小分子系列飛秒X射線晶體學(smSFX)的新工藝，其可以用於確定形成微晶粉末的三種化合物的結構–包括兩種以前未知的化合物。
研究小組在1月19日發表在《自然》上的一篇論文中寫道，由於這種新方法應該”廣泛適用於配備了串行結晶學的XFEL和同步輻射設施，所以它可能會產生很大的影響。
解除金屬化合物的束縛
研究人員首次使用該方法確定了兩種金屬有機材料的結構，即thiorene和tethrene。這兩種材料都是用於下一代場效應晶體管、儲能裝置及太陽能電池和面板的潛在候選材料。繪製thiorene和tethrene圖使研究人員能夠更好地理解其他一些金屬有機材料在紫外線下會發出明亮藍光的原因，科學家們將其比作《指環王》中弗羅多的魔法劍–Sting。
“確定材料的晶體結構是將它們落實到設備中並考慮工程應用的起點，”來自康涅狄格大學的研究員和論文共同作者Elyse Schriber說道。
伯克利實驗室的計算機科學家Nicholas Sauter指出，然而許多材料拒絕被形成標準X射線晶體學所需的大晶體，“大多數物質反而形成了粉末，其X射線衍射圖案更難解開。”
LCLS主管Mike Dunne表示，用smSFX解決晶體結構可以加速其他微晶體結構的建模，並能帶來發現用於分子機器、電池的磨損機制和燃料的新材料。“這是一項令人興奮的研究，將LCLS帶入一個新的方向。這種類型的交叉科學利用生物科學的進展進入其他領域如先進材料科學則是我們能源部用戶設施如何將研究界的不同領域結合起來的一個很好的例子。”
Schriber表示，每個新的晶體結構都被上傳到劍橋大學主持的全球晶體學數據庫，科學家們可以用它來測試理論並幫助尋找對特定任務有用的化合物。她稱，在其他晶體圖譜方法中，研究人員通常會在一組晶體中挑選出最好的晶體進行建模，而通過使用smSFX，他們能在整個晶體組中獲得更全面的視圖，“因此它是一個材料外觀的更好模型”。
“鴨子醬”
實驗並沒有完全按計劃進行，但一點小小的創意挽救了這一切。在XFEL系列晶體學調查中，微晶體必須通過一個液體樣品輸送系統被輸送到X射線束中。研究人員試圖用甲醇來運送微晶體，但發現它跟液體樣品流經的噴嘴上的環氧樹脂不相容。在某些情況下，它融化了噴嘴。
而令他們倍感壓力的是，他們知道他們不能用水來輸送他們的微晶體，因為他們的晶體有蠟質有機成分使它們具有疏水性。水會堵塞系統並使晶體粘在輸送系統管道的兩側。
在束手無策的情況下，該團隊想起了洗碗劑曾被用於石油泄漏的補救場景。他們迅速搜索並找到了一瓶洗滌劑，將其跟水混合，他們將這種組合稱為“鴨子醬”並將這種混合物送入輸送系統。
“我這輩子都沒想過我會為洗潔精唱讚歌，但它對我們的材料來說是一個神奇的懸挂物。如果我們沒有使用洗滌劑-水的混合物，我們就根本無法完成我們的實驗，”Schriber說道。
脆弱晶體的未來
至於下一步，研究人員希望繪製大量材料的晶體結構圖，因為“其中任何一種材料都可能具有我們不知道的令人難以置信的特性，”Schriber說道，“突然有了一個結構，就有了預測許多其他材料特性的機會。”
研究小組還表示，XFEL-smSFX過程可能會變得更快，進而發現大量的未知晶體結構，他們正在努力簡化該方法。