由康涅狄格大学制作
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 晶体用肉眼揭示了分子隐藏的几何形状
科学家们用晶体来计算新材料的原子结构，但是许多晶体不能长得足够大
现在，一组研究人员在1月19日的《自然》杂志上报道了一项新技术，可以发现任何物质的晶体结构
要真正理解一种化学物质，科学家需要知道它的原子是如何排列的
有时这很简单:例如，钻石和黄金都是由一种原子(分别是碳或金)排列成立方体网格制成的
但通常更难找出更复杂的
“每一片都是一片特殊的雪花——培育它们真的很难，”UConn化学物理学家内特·霍曼说
霍曼研究金属有机化合物
它们是由一种金属与一种有机聚合物和元素周期表第16列的一种元素(硫、硒、碲或钋)结合而成的
)有些是颜色鲜艳的颜料；当光线照射在其他物体上时，它们变得更加导电；其他人制造良好的固体润滑剂，不会在炼油厂或矿场的高温下燃烧
这是一个庞大而有用的化学家族
但是霍曼的研究——混合硫属植物——确实很难结晶
霍曼的实验室无法解决原子结构问题，因为他们无法生长出大而完美的晶体
即使是他们能得到的微小粉末状晶体也是不完美和杂乱的
x射线结晶学是计算更复杂材料的原子排列的标准方法
一个著名的早期例子是罗莎琳德·富兰克林如何用它来计算DNA的结构
她分离出大块完美的水晶状DNA，然后用x光照射它们
x射线非常小，它们通过原子之间的空间衍射，就像可见光通过金属缝隙衍射一样
通过对衍射图样进行数学运算，你可以算出产生衍射图样的狭缝(或原子)的间距
一旦你知道了一种材料的原子结构，一个全新的世界就打开了
材料科学家利用这些信息设计特定的材料来做特殊的事情
例如，也许你有一种材料能以很酷的方式弯曲光线，这样它在紫外线下就不可见了
如果你理解了原子的结构，你也许能够调整它——比如说，在特定的位置用不同大小的类似元素代替——并让它在可见光下做同样的事情
瞧，一件隐身衣！ 霍曼研究的混合硫族化合物不会让你隐形
但它们可能会制造出优秀的新型化学催化剂和半导体
目前他正在研究基于银的材料
霍曼说，他最喜欢的米特雷是由银和硒制成的，在紫外光或“每当研究生在身边时”会发出明亮的蓝色
霍曼实验室的化学研究生爱丽斯·施雷伯(Elyse Schreiber)说服霍曼，无论如何，他们应该尝试用高能X射线束照亮一些小而杂乱的混合硫属植物
如果他们能算出数学，就能解决他们所有的问题
在加州门洛帕克的SLAC直线加速器的直线加速器相干光源工作时，施雷伯遇到了伯克利的研究员亚伦·布鲁斯特
布鲁斯特提到他已经用X射线结晶学解决了解决困难材料的晶体结构所需的数学问题
但是他需要一些东西来测试它
霍曼和施雷伯拿到了材料
他们提供了大量微小的、不完美的硫族化物晶体，将这些晶体混合到用道恩洗碗皂乳化的水中(霍曼实验室中另一种不可或缺的会发出蓝光的物品)，并将这些晶体喷射到加速器束中
每一个x光脉冲都非常明亮地照亮了晶体，让布鲁斯特捕捉到数百个微小晶体原子结构的快照
有了足够的快照，布鲁斯特能够运行计算，并弄清楚原子是如何排列的
他们不仅解决了晶体结构问题，还发现之前对这些结构的最佳猜测是错误的
理论上，这种被称为小分子系列飞秒结晶学的技术可以用于任何化学或材料
劳伦斯伯克利国家实验室的计算机科学家尼古拉斯·索特和丹尼尔·佩利也帮助开发了smSFX
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，但现在你连续拍了10000张。”
“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，这项技术可以帮助我们理解这些动力学事件如何影响微晶材料的结构
在某种程度上，将材料的结构和功能联系起来，”施雷伯解释道
霍曼对他们的成功同样感到兴奋
霍曼说:“既然我们能解决这些难以结晶的结构，我们就能为我们的目的设计出最好的结构。”
通常，一种材料会接近于具有某种理想的性质，但是它的晶体结构并不完全正确
霍曼希望，利用他们从使用布鲁斯特技术的X射线晶体学中获得的数据，他们可以从头开始设计更好的材料
现在，霍曼和布鲁斯特正与麻省理工学院的机器学习专家苔丝·斯米特合作，试图教计算机设计具有特定属性的材料
这项工作包括使用日本的SACLA自由电子激光器，美国国家加速器实验室的直线加速器相干光源，美国的分子铸造和国家能源研究科学计算中心
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位于伯克利实验室的能源部科学办公室用户设施
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