2008年8月2
一个多机构的科学家团队首次利用先进光源上的9.0.1光束对气凝胶进行高分辨率x射线衍射成像，揭示了其纳米级三维体晶格结构，精确到纳米级(十亿分之一米)的特征。
气凝胶有时被称为“冰冻烟雾”，可以由不同的材料制成。欧洲杯足球竞彩这种硅气凝胶是一种有效的绝缘体。来源:阿伦·亨特，劳伦斯·伯克利国家实验室
气凝胶有时被称为“冰冻烟雾”或“旧金山雾”，是纳米级泡沫:一种固体材料，其海绵状结构布满了直径只有纳米的小孔，由于密度低，其强度令人惊讶。欧洲杯足球竞彩许多多孔材料因其绝缘体、欧洲杯足球竞彩过滤器和催化剂的特性而与众不同;它们被用于生产清洁燃料，隔热窗户甚至衣服，研究石油通过岩石的渗透，作为药物输送系统，甚至用于缓冲在外层空间捕捉高速彗星碎片。
“最小的孔径是多孔材料的强度和作用的关键，”加州大学的渐冻人症科学家斯特凡诺·马尔切尼说欧洲杯足球竞彩伯克利实验室他领导了这项研究。“以前从未用这种分辨率观察过多孔材料内部，这使x射线衍欧洲杯足球竞彩射显微镜首次应用于实际问题。”
来自劳伦斯利弗莫尔国家实验室、加州大学戴维斯分校、亚利桑那州立大学、阿贡国家实验室和伯克利实验室的团队成员进行了x射线衍射成像，并在《物理评论快报》网络版上发表了他们的结果，可在http://link.aps.org/abstract/PRL/v101/e055501上下载。
看到里面的泡沫
研究气凝胶和其他纳米泡沫的一种方法是使用电子显微镜，它只能通过材料的多孔结构对薄薄的二维切片进行成像。另一种方法是直接的x射线显微镜，使用带板作为“透镜”;显微镜可以穿透样品，但很难在材料的不同深度保持分辨率。小角度x射线散射(SAXS)也可以从精细粉末气凝胶中收集有限的结构信息，但SAXS不能提供完整的三维信息。这些技术都无法捕捉微米级的纳米泡沫样品的三维内部结构，微米级的纳米泡沫样品直径只有百万分之一米。
x射线衍射处理这个问题的方法不同。一束类似激光的x射线穿过样品，然后衍射到CCD探测器屏幕上;当样品移动和旋转时，衍射图案被反复存储。一个典型的系列需要大约150个视角。
每个衍射图案然后由计算机处理。光束中的光子从结构的每个组成部分重新定向的方式因每个方向而不同，比较它们的强度有助于在三维空间中精确定位该组成部分。成千上万的迭代是必需的,在目前的研究中,团队成员的安东小巴蒂•利弗莫尔领导近1亿测量强度的解决方案,而不是10万左右的典型,说,蛋白质晶体学,但最终的结果是一个小样品在纳米级分辨率的三维图像。
泡沫状结构是用相互连接的格子梁和它们相交的节点来描述的。这些元素在ALS成像中使用的气凝胶的三维重建图像中清晰可见，气凝胶是由乙氧钽制成的，这是一种用于包覆惯性约束聚变实验中氢同位素胶囊的陶瓷材料，利弗莫尔正在进行这项实验。
“泡沫结构的强度和刚度预计与它们的密度成比例，将梁和节点等单个元素的密度与整体密度联系起来，”Marchesini说。“但在密度低于10%的情况下，像我们测试的那些气凝胶的强度——密度在1%的量级上——比预期要低几个数量级。”
在试图解释这一现象的理论中，一个是“渗流”模型，在这个模型中，碎片会从承重结构中分离出来，增加质量而不增加强度。另一种“异质”模型提出，该结构越来越多地布满缺陷，如微米大小的孔洞和弯曲更容易。
第三种理论是“扩散受限的团簇聚集”模型:堆积的物质由细链连接，而不是节点之间坚固的梁。
Marchesini说:“我们获得的高分辨率使我们能够看到这些模型中哪一个更准确地描述了实际观测到的结构。”通过从内部观察泡沫，团队能够准确地看到它的结构，以及每个组件的形状和尺寸。“它的结构比我们之前用这种技术获得的图像要复杂得多。”
研究小组观察到的乙烷钽气凝胶的三维图像是一个“斑点-束”结构，与第三种模型一致，即扩散限制团簇聚集。观察到的结构解释了低密度材料的相对弱点，也表明改变制备气凝胶的方法可能会提高其强度。
在未来
“我们想用x射线衍射来研究一系列多孔材料和一般的纳米结构，例如在分子铸造场开发的多孔聚合物，用于储存氢作为燃料——甚至更高的分欧洲杯足球竞彩辨率，”Marchesini说。“大卫·夏皮罗(David Shapiro)建造了我们用于这项工作的终点站，他正在与我们合作，克服一些障碍。”
一个是时间。目前，每个样品都需要几个月的工作。在准备之后，实验首先需要一到两天的安装，旋转，并将样品暴露在x射线束下，由于探测器速度很慢，每次查看大约需要一分钟，总共150个视图。接下来是数周的计算时间。“在所有这些之后，你会发现样本并不好，所以你必须重新开始，”Marchesini说。
改进的样品处理，更快的探测器和专用于x射线衍射的光束是主要目标。相干散射和衍射显微镜(COSMIC)设备是ALS战略计划中的优先项目，将提供具有完全偏振控制的强相干x射线。
“我们还与伯克利实验室的计算研究部门合作，开发高效和稳健的算法，以加快从单个旋转视图构建三维图像所需的时间，”Marchesini说。“这将为观察微小物体的新方法打开整个光谱的可能性——不仅是气凝胶，而且几乎是任何未知物体，从纳米结构到生物细胞。”
有关气凝胶,点击在这里．