現(xiàn)在，科學(xué)家們在他們的工具帶中有了一個新的工具：一個用來自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國家加速器實驗室研究蛋白質(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驗室和其他機構(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材料在紫外線下會發(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)是將它們落實到設(shè)備中并考慮工程應(yīng)用的起點，”來自康涅狄格大學(xué)的研究員和論文共同作者Elyse Schriber說道。

伯克利實驗室的計算機科學(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)用于分子機器、電池的磨損機制和燃料的新材料。“這是一項令人興奮的研究，將LCLS帶入一個新的方向。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)合起來的一個很好的例子。”

Schriber表示，每個新的晶體結(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，他們能在整個晶體組中獲得更全面的視圖，“因此它是一個材料外觀的更好模型”。

“鴨子醬”

實驗并沒有完全按計劃進(jìn)行，但一點小小的創(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，因為他們的晶體有蠟質(zhì)有機成分使它們具有疏水性。水會堵塞系統(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，該團隊想起了洗碗劑曾被用于石油泄漏的補救場景。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為洗潔精唱贊歌，但它對我們的材料來說是一個神奇的懸掛物。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驗，”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，因為“其中任何一種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，“突然有了一個結(jié)構(gòu)，就有了預(yù)測許多其他材料特性的機會。”

研究小組還表示，XFEL-smSFX過程可能會變得更快，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。