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X射線三維成像“飛入尋常實驗室”

2025-05-07 01:25:00 來源: 科技日報 點擊數:

科技日報記者 劉霞

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

3DXRD技術是通過多角度X射線照射,構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,光束強度達到醫用X射線的百萬倍量級。如此高強度的照射,能清晰呈現多晶材料(構成金屬、陶瓷等物質的微觀晶體)的精細結構,揭示材料承受機械應力時的奧秘。比如,通過觀察承重鋼梁樣本的晶體變化,就能了解建筑物結構老化的微觀機制。

然而,過去這項技術只能依托同步加速器來實現。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”。科研團隊不僅需要競爭立項,還要經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技術惠及更多研究者,團隊開發出實驗室級的3DXRD系統。傳統設備受限于固態金屬陽極的熔點,而新技術采用液態金屬噴射陽極,既避免了熔化風險,又大幅提升了X射線輸出強度。

為驗證系統可靠性,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“同臺競技”,同時檢測鈦合金樣品。結果顯示,實驗室級3DXRD準確識別了96%的晶體結構,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,將能捕捉更細微的晶體特征。這項突破不僅讓科學家能隨時開展預實驗,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應力作用下的長期演變(如數千次循環載荷測試)具有革命性意義。

責任編輯:常麗君

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