現(xiàn)在,科學(xué)家們在他們的工具帶中有了一個(gè)新的工具:一個(gè)用來自X射線自由電子激光器(XFEL)的超快脈沖調(diào)查數(shù)以千計(jì)的微晶體的系統(tǒng),它可以在損害發(fā)生之前收集結(jié)構(gòu)信息。這種方法在過去十年中被開發(fā)出來,用于在能源部的SLAC國家加速器實(shí)驗(yàn)室研究蛋白質(zhì)和其他大型生物分子,現(xiàn)在首次被應(yīng)用于化學(xué)和材料科學(xué)感興趣的小分子。
來自康涅狄格大學(xué)、SLAC、能源部勞倫斯伯克利國家實(shí)驗(yàn)室和其他機(jī)構(gòu)的研究人員開發(fā)了這種被稱為小分子系列飛秒X射線晶體學(xué)(smSFX)的新工藝,其可以用于確定形成微晶粉末的三種化合物的結(jié)構(gòu)--包括兩種以前未知的化合物。
研究小組在1月19日發(fā)表在《自然》上的一篇論文中寫道,由于這種新方法應(yīng)該"廣泛適用于配備了串行結(jié)晶學(xué)的XFEL和同步輻射設(shè)施,所以它可能會(huì)產(chǎn)生很大的影響。
解除金屬化合物的束縛
研究人員首次使用該方法確定了兩種金屬有機(jī)材料的結(jié)構(gòu),即thiorene和tethrene。這兩種材料都是用于下一代場效應(yīng)晶體管、儲(chǔ)能裝置及太陽能電池和面板的潛在候選材料。繪制thiorene和tethrene圖使研究人員能夠更好地理解其他一些金屬有機(jī)材料在紫外線下會(huì)發(fā)出明亮藍(lán)光的原因,科學(xué)家們將其比作《指環(huán)王》中弗羅多的魔法劍--Sting。
“確定材料的晶體結(jié)構(gòu)是將它們落實(shí)到設(shè)備中并考慮工程應(yīng)用的起點(diǎn),”來自康涅狄格大學(xué)的研究員和論文共同作者Elyse Schriber說道。
伯克利實(shí)驗(yàn)室的計(jì)算機(jī)科學(xué)家Nicholas Sauter指出,然而許多材料拒絕被形成標(biāo)準(zhǔn)X射線晶體學(xué)所需的大晶體,“大多數(shù)物質(zhì)反而形成了粉末,其X射線衍射圖案更難解開。”
LCLS主管Mike Dunne表示,用smSFX解決晶體結(jié)構(gòu)可以加速其他微晶體結(jié)構(gòu)的建模,并能帶來發(fā)現(xiàn)用于分子機(jī)器、電池的磨損機(jī)制和燃料的新材料。“這是一項(xiàng)令人興奮的研究,將LCLS帶入一個(gè)新的方向。這種類型的交叉科學(xué)利用生物科學(xué)的進(jìn)展進(jìn)入其他領(lǐng)域如先進(jìn)材料科學(xué)則是我們能源部用戶設(shè)施如何將研究界的不同領(lǐng)域結(jié)合起來的一個(gè)很好的例子。”
Schriber表示,每個(gè)新的晶體結(jié)構(gòu)都被上傳到劍橋大學(xué)主持的全球晶體學(xué)數(shù)據(jù)庫,科學(xué)家們可以用它來測試?yán)碚摬椭鷮ふ覍μ囟ㄈ蝿?wù)有用的化合物。她稱,在其他晶體圖譜方法中,研究人員通常會(huì)在一組晶體中挑選出最好的晶體進(jìn)行建模,而通過使用smSFX,他們能在整個(gè)晶體組中獲得更全面的視圖,“因此它是一個(gè)材料外觀的更好模型”。
“鴨子醬”
實(shí)驗(yàn)并沒有完全按計(jì)劃進(jìn)行,但一點(diǎn)小小的創(chuàng)意挽救了這一切。在XFEL系列晶體學(xué)調(diào)查中,微晶體必須通過一個(gè)液體樣品輸送系統(tǒng)被輸送到X射線束中。研究人員試圖用甲醇來運(yùn)送微晶體,但發(fā)現(xiàn)它跟液體樣品流經(jīng)的噴嘴上的環(huán)氧樹脂不相容。在某些情況下,它融化了噴嘴。
而令他們倍感壓力的是,他們知道他們不能用水來輸送他們的微晶體,因?yàn)樗麄兊木w有蠟質(zhì)有機(jī)成分使它們具有疏水性。水會(huì)堵塞系統(tǒng)并使晶體粘在輸送系統(tǒng)管道的兩側(cè)。
在束手無策的情況下,該團(tuán)隊(duì)想起了洗碗劑曾被用于石油泄漏的補(bǔ)救場景。他們迅速搜索并找到了一瓶洗滌劑,將其跟水混合,他們將這種組合稱為“鴨子醬”并將這種混合物送入輸送系統(tǒng)。
“我這輩子都沒想過我會(huì)為洗潔精唱贊歌,但它對我們的材料來說是一個(gè)神奇的懸掛物。如果我們沒有使用洗滌劑-水的混合物,我們就根本無法完成我們的實(shí)驗(yàn),”Schriber說道。
脆弱晶體的未來
至于下一步,研究人員希望繪制大量材料的晶體結(jié)構(gòu)圖,因?yàn)椤捌渲腥魏我环N材料都可能具有我們不知道的令人難以置信的特性,”Schriber說道,“突然有了一個(gè)結(jié)構(gòu),就有了預(yù)測許多其他材料特性的機(jī)會(huì)。”
研究小組還表示,XFEL-smSFX過程可能會(huì)變得更快,進(jìn)而發(fā)現(xiàn)大量的未知晶體結(jié)構(gòu),他們正在努力簡化該方法。
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