X射線三維成像“飛入尋常實驗室”

美國密歇根大學(xué)研究團隊在最新一期《自然·通訊》雜志發(fā)表論文稱，他們成功研制出實驗室級3DXRD系統(tǒng)，首次在常規(guī)實驗環(huán)境下實現(xiàn)X射線三維衍射技術(shù)（3DXRD），并成功解析了金屬、陶瓷等材料的微觀結(jié)構(gòu)。這項突破使原本依賴粒子加速器的尖端技術(shù)“飛入尋常實驗室”，為材料科學(xué)研究開辟了新途徑。

3DXRD技術(shù)是通過多角度X射線照射，構(gòu)建出物體的三維圖像。其獨特之處在于，將毫米級材料樣品“沐浴”在超強X射線束中旋轉(zhuǎn)，光束強度達(dá)到醫(yī)用X射線的百萬倍量級。如此高強度的照射，能清晰呈現(xiàn)多晶材料（構(gòu)成金屬、陶瓷等物質(zhì)的微觀晶體）的精細(xì)結(jié)構(gòu)，揭示材料承受機械應(yīng)力時的奧秘。比如，通過觀察承重鋼梁樣本的晶體變化，就能了解建筑物結(jié)構(gòu)老化的微觀機制。

然而，過去這項技術(shù)只能依托同步加速器來實現(xiàn)。這種粒子加速器能讓電子釋放高強度X射線。但目前全球僅有70余臺同步加速器，可謂“一機難求”?？蒲袌F隊不僅需要競爭立項，還要經(jīng)歷半年到兩年的排隊等待，且最終實驗時間往往不超過6天。

為讓3DXRD技術(shù)惠及更多研究者，團隊開發(fā)出實驗室級的3DXRD系統(tǒng)。傳統(tǒng)設(shè)備受限于固態(tài)金屬陽極的熔點，而新技術(shù)采用液態(tài)金屬噴射陽極，既避免了熔化風(fēng)險，又大幅提升了X射線輸出強度。

為驗證系統(tǒng)可靠性，團隊讓新型實驗室級3DXRD、同步加速器3DXRD和實驗室衍射斷層掃描技術(shù)“同臺競技”，同時檢測鈦合金樣品。結(jié)果顯示，實驗室級3DXRD準(zhǔn)確識別了96%的晶體結(jié)構(gòu)，尤其對60微米以上的大晶體解析效果卓越。

團隊表示，未來配備更高靈敏度探測器后，將能捕捉更細(xì)微的晶體特征。這項突破不僅讓科學(xué)家能隨時開展預(yù)實驗，更打破了同步加速器6天的時限枷鎖，對于研究材料在反復(fù)應(yīng)力作用下的長期演變（如數(shù)千次循環(huán)載荷測試）具有革命性意義。