劳伦斯·伯克利国家实验室
液体溶剂的喷射、样品粒子和加速器的光束在一个过程中捕获衍射数据的图示，这个过程只需要几飞秒，也就是十亿分之几秒，或者十亿分之一秒的百万分之一
信用:埃拉·马鲁工作室 著名的共同发现DNA形状的弗朗西斯·克里克曾经说过:“如果你想了解功能，就研究结构
“几十年后，这仍然是生物学、化学和材料科学的宗旨
寻找DNA结构的一个关键突破来自X射线结晶学，这是一种根据X射线辐射束如何衍射穿过样品中原子之间的空间来绘制分子中电子密度的技术
然后，由结晶学产生的衍射图可以用来推断整个分子结构
由于几十年来的稳定发展，X射线晶体学现在比克里克时代更强大，甚至可以揭示单个原子的位置
然而这个过程并不容易
顾名思义，它需要晶体——具体来说，就是目标分子的纯化样本，被诱导成晶体形式
不是所有的分子都能形成适合拍照的晶体
劳伦斯伯克利国家实验室(伯克利实验室)分子生物物理和集成生物成像(MBIB)部门的计算机高级科学家尼古拉斯·索特说:“当材料可以生长成大单晶时，X射线晶体学是最直接的。”
然而，大多数物质反而形成由小颗粒组成的粉末，其x光衍射图更难分辨
" Sauter是一个团队的联合领导，该团队致力于为科学家提供一种更好的方法来研究许多不形成整齐单一晶体的材料的结构，例如太阳能吸收器和金属有机框架:这两种不同的材料组在应对气候变化和生产可再生能源方面具有巨大的潜力
他们的新技术被称为小分子系列飞秒X射线晶体学，通过增加定制的图像处理算法和X射线自由电子激光器(XFEL)，取代了传统的晶体学
XFEL是由粒子加速器和基于激光的物理学融合而成的，它可以指向比其他晶体学X射线源更强大、更聚焦、更快速的X射线束
从x光脉冲到衍射图像，整个过程在几十亿分之一秒内完成
XFEL的一部分，在那里样品被注入到X射线束的路径中
这个位于XFEL的设施，叫做SPring-8埃紧凑型自由电子激光器(SACLA)，位于日本
该团队在2019年前往那里并进行实验
学分:内特·霍曼/康涅狄格大学 “这是破坏前的衍射，”丹尼尔·佩利说，他是MBIB项目的科学家，也是该团队今天发表在《自然》杂志上的新论文的作者
“这个想法是，当晶体被这束光子击中时，它会立即爆炸，但是通过飞秒脉冲，你可以在损坏发生之前收集所有的衍射数据。”
真的很酷
" 佩利和联合领导人、MBIB的研究科学家亚伦·布鲁斯特(Aaron Brewster)开发了将XFEL数据转换成高质量衍射图所需的算法，这些衍射图可以被分析，以揭示样品中每个微小晶粒的晶胞——晶体的基本单位，在三维空间中反复出现
佩利解释说，当你有一种真正的粉末时，就像有一百万个晶体混杂在一起，充满了不完美，并在每个可能的方向上杂乱无章
smSFX不是像现有的粉末衍射技术那样将整个杂乱无章的东西衍射在一起，得到一个模糊的电子密度读数，而是非常精确，可以一次衍射一个单独的颗粒
“这给了它一种特殊的锐化效果，”他说
“所以这实际上是这整个方法的秘密酱
通常情况下，你一次拍1000万张照片，但现在你连续拍10000张
" 最重要的是，smSFX是在不冷冻样品或将其暴露在真空中的情况下进行的——这是材料科学家研究的精细材料的另一个好处
“不需要花哨的真空室，”索特说
艺术家再现的X射线束照亮了粉末状晶体硫族化物溶液
信用:埃拉·马鲁工作室 在新的研究中，该团队展示了smSFX的原理证明，然后更进一步
他们报道了以前未知的两种金属有机材料的结构，这两种材料被称为chacogenolates
内森·霍曼是康涅狄格大学的化学物理学家，也是该项目的第三位共同负责人，他研究了热电材料的半导体和光相互作用特性，这可能使它们成为下一代晶体管、光伏(太阳能电池和电池板)、储能装置和传感器的理想材料
霍曼说:“每一片都是一片特殊的雪花——种植它们真的很难。”
通过smSFX，他和研究生Elyse Schriber能够成功衍射粉末胆甾醇，并检查结构，以了解为什么一些si lver基材料在紫外光下会发出明亮的蓝色，科学家们亲切地将这种现象比作《指环王》中佛罗多的剑
“在超快的时间尺度上，有大量迷人的物理甚至化学动力学发生，我们的实验可以帮助连接一种材料的结构和功能之间的点，”伯克利实验室的附属机构和霍曼实验室的研究员施瑞贝尔说
“在对smSFX流程进行进一步改进后，我们可以想象出向其他研究人员提供这种技术的程序
这些类型的项目对于增加光源设施的使用是不可或缺的，特别是对于较小的大学和学院
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