在生物学和少量洗洁精的帮助下推进材料科学

艺术家描绘的x射线光束照亮一种被称为硫代酸盐的粉状金属有机材料的溶液。资料来源:艾拉·马鲁工作室

高速x射线自由电子激光器已经解锁了与化学和材料科学相关的小分子的晶体结构,证明了一种可以推进半导体和太阳能电池发展的新方法。

形成微小晶体的化合物蕴含着可以推进可再生能源生产和半导体开发的秘密。原子排列的揭示已经为材料科学和太阳能电池领域的突破提供了可能。然而,目前用于确定这些结构的技术可能会损害敏感的微晶体。

现在,科学家们的工具带中有了一种新工具:一种利用x射线自由电子激光器(XFEL)的超快脉冲来研究数千个微晶体的系统,它可以在损伤发生前收集结构信息。在过去的十年里,在美国能源部的SLAC国家加速器实验室,这种研究蛋白质和其他大型生物分子的方法得到了发展。现在,这种方法第一次被应用到化学和材料科学感兴趣的小分子上。

康涅狄格大学、SLAC、美国能源部劳伦斯伯克利国家实验室和其他机构的研究人员开发了这一新工艺,称为小分子系列飞秒x射线晶体学或smSFX,以确定形成微晶体粉末的三种化合物的结构,其中两种是以前不知道的。实验是在SLAC进行的线性相干光源(LCLS)日本的XFEL和SACLA XFEL。

该研究团队在今天发表的一篇论文中写道,这种新方法可能会产生巨大的影响,因为它应该“广泛应用于XFEL和用于串联晶体学的同步辐射设备”自然

理清金属化合物

研究人员首次用这种方法确定了两种金属有机材料,硫代乙烯和乙烯的结构。它们都是下一代场效应晶体管、能量存储设备、太阳能电池和电池板的潜在应用对象。通过绘制硫代和乙烯的图谱,研究人员可以更好地理解为什么其他一些金属有机材料在紫外线下会发出明亮的蓝色,科学家们将紫外线比作《指环王》中弗罗多的魔法剑“Sting”。

“确定材料的晶体结构是将它们应用到设备和考虑工程应用的起点,”康涅狄格大学的研究员和论文合著者Elyse Schriber说。

然而,伯克利实验室的计算机科学家Nicholas Sauter说,许多材料无法形成标准x射线晶体学所需要的大晶体。“大多数物质会形成粉末,”他说,“这种粉末的x射线衍射图案更难分离。”

用smSFX解决晶体结构可以加速其他微晶体结构的建模,并导致用于分子机器、电池和燃料的磨损机制的新材料的发现,LCLS主任Mike Dunne说:“这是一个令人兴奋的研究,将LCLS推向一个新的方向。这种类型的交叉科学,利用先进的生物科学到其他领域,如先进的材料科学,是一个很好的例子,我们的能源部用户设施可以把不同的研究领域结合在一起。”

Schriber说,每一个新的晶体结构都会被上传到由剑桥大学主持的全球晶体学数据库中,在那里科学家们可以用它来测试理论,并帮助找到对特定任务有用的化合物。她说,在其他的晶体映射方法中,研究人员经常在一组晶体中挑选出最好的来建模,而使用smSFX,“我们能够得到整个晶体集合的更全面的视图,所以它是一个更好的材料看起来的模型。”

酱鸭

这个实验进行得并不顺利,但一个小小的聪明才智挽救了局面。在XFEL系列晶体学实验中,微晶体需要通过液体样品输送系统输送到x射线束中。研究人员试图用甲醇传递微晶体,但发现它与液体样品流过的喷嘴上的环氧树脂不相容。在某些情况下,它融化了喷嘴。

为了增加他们的压力,他们知道他们的微晶体不能使用水,因为他们的晶体有蜡质有机成分,使他们疏水。水会堵塞系统,并将结晶体粘在输送系统管道的两侧。

在几乎没有空闲时间的腌黄瓜中,该团队记得洗涤剂曾被用于修复石油泄漏。他们迅速查找并找到一瓶洗涤剂,将其与水混合,并将这种混合物称为“鸭酱”,然后将这种混合物通过输送系统输送出去。

施里伯说:“我从来没有想过我会为洗碗皂唱赞歌,但它对我们的材料来说是一个非常棒的背带。”“如果我们没有使用清洁剂和水的混合物,我们根本无法完成我们的实验。”

易碎晶体的未来

至于下一步要做什么,研究人员想要绘制大量不同材料的晶体结构,因为“它们中的任何一种都可能有我们不知道的难以置信的属性,”Schriber说。

她说:“突然拥有一个结构,为预测许多其他材料的性能提供了机会。”

该研究团队还表示,xfer - smsfx过程可能会变得更快,从而发现大量未知的晶体结构,他们正在简化这种方法。

除了LCLS,这项研究的一部分是在日本的SACLA XFEL、国家能源研究科学计算中心(NERSC)和伯克利实验室的分子Foundry进行的,并得到了美国能源部科学办公室的支持。NERSC和LCLS是能源部科学办公室的用户设施。

引用本文:Elyse A. Schriber等人,自然, 2022年1月19日(10.1038 / s41586 - 021 - 04218 - 3

SLAC是一个充满活力的多项目实验室,探索宇宙如何在最大、最小和最快的尺度上运行,并发明了全球科学家使用的强大工具。我们的研究跨越粒子物理学、天体物理学和宇宙学、材料、化学、生物和能源科学以及科学计算,帮助解决现实世界的问题,促进国家的利益。

SLAC由斯坦福大学为美国能源部运营科学办公室.科学办公室是美国物理科学基础研究的最大单一支持者,正致力于解决我们这个时代的一些最紧迫的挑战。

日报:自然
DOI:10.1038 / s41586 - 021 - 04218 - 3
研究方法:实验研究
研究对象:不适用
文章标题:飞秒系列x射线衍射的化学结晶学
文章出版日期:2022年1月19日
COI声明:作者声明没有竞争利益。

媒体接触

Glennda崔
美国国家加速器实验室
glennda@slac.stanford.edu
办公室:510-507-2766

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