纵横交错：X射线跟踪软材料的行为

琼·科卡

2022 年 10 月 10 日

借助强大的 X 射线束技术，研究人员探索了使牙膏和发胶等柔软材料放松的原因。他们获得的见解可以帮助设计新的消费产品和纳米技术。

从化妆品吸管中滴下凝胶的特写照片。凝胶是一种软质材料。这些材料很容易因应力而变形。了解影响他们放松方式的动态是一个活跃的研究领域。（图片来源：Shutterstock/Anastasiya Shatyrova。）

剃须凝胶、洗发水和一杯酸奶。他们都有什么共同点？它们都是软材料的例子，这意味着材料在施加压力时很容易改变形状。

在日常生活中，软质材料无处不在。牙膏、护肤霜、纸巾和涂料只是其中的几个例子。在压力下，软材料能够由于其颗粒的微小波动而改变形状，这些波动是动态的。这个 “放松”过程是随机发生的，而且规模太小，科学家无法轻易确定。但是在位于美国能源部 ( DOE) 的阿贡国家实验室的美国能源部 ( DOE ) 科学办公室用户设施高级光子源 ( APS ) 的帮助下，研究人员正在更好地了解这些材料。

在最近发表的两篇论文中，两个独立的研究团队在APS成功地使用了强大的 X 射线束技术，以揭示有关软材料动力学的新见解。他们学到的信息可能有助于设计和开发各种消费品，包括冰淇淋和明胶甜点等食品；个人护理用品，如保湿霜和洗发水；电池；用于制造的油漆、泡沫和塑料；甚至是构成药物输送涂层和系统的纳米技术。

“了解软材料的动力学很重要，因为我们相信它们对我们想要控制的特性（例如粘度和弹性）具有直接而深远的影响。这些特性控制着凝胶的柔软度或材料流动的速度等因素，”两篇论文的合著者、阿贡助理物理学家张庆腾说。

研究人员如何利用 X 射线的力量

两项研究使用的 X 射线束技术被称为 X 射线光子相关光谱 ( XPCS )。像它这样的技术使科学家能够在分子和原子尺度上探测各种材料的形式和功能。

XPCS旨在揭示小至人类头发直径的区域的微观动力学。他们可以捕捉到动态如何随着时间的变化而变化，从百万分之一秒到几个小时。

在此过程中，材料会暴露在 X 射线束中。当 X 射线束从样品中的移动粒子反弹时，这些 X 射线的特性（例如它们的行进方向）会发生变化。然后，研究人员可以检测到这些变化并使用它们来计算材料中的粒子在不同长度上移动的速度，进而了解它们的结构动力学。

水凝胶中的应力松弛

阿贡和麻省理工学院 ( MIT)的科学家在美国国家科学院院刊上发表了一项使用XPCS的研究。在这里，该技术用于评估水凝胶。

该研究的合著者、麻省理工学院教授加雷斯·麦金利 (Gareth McKinley) 说：“你可以通过两种方式来看待动态，或者事物如何随时间变化——小规模和大规模。”“在我们位于麻省理工学院的实验室中，我们使用称为流变仪的机械仪器来观察更大规模的变化，然后将其与APS的XPCS相结合，以了解微观层面的动力学。”

为了全面了解水凝胶的动力学，研究人员探索了水凝胶在有和没有外部机械应力的情况下的动力学。这有助于揭示材料的小规模和大规模变化之间的联系。

“XPCS帮助我们了解了软凝胶材料内部发生的微观重排，尤其是在存在机械应力的情况下。这对设计软材料具有影响，从用于药物输送和细胞培养的水凝胶，到用于消费品的乳液和糊剂，”该研究的主要作者、麻省理工学院研究生 Jake Song 说。

界面处的软材料松弛

另一项由 Argonne、美国能源部劳伦斯伯克利国家实验室 (Berkeley Lab) 和马萨诸塞大学 (UMASS) Amherst的科学家在ACS Nano上发表的研究也利用XPCS来了解软材料。但在这种情况下，研究人员正在研究一种由油和水组成的混合物。

在两种液体的表面之间，研究人员放置了非常细小的颗粒，称为纳米颗粒。在这个位置，粒子可能会堵塞，或者变得更紧密，并结合形成固体状结构。当干扰生效时，研究人员使用XPCS来测量动力学。

“最终，我们从XPCS获得的结果是更好地了解系统动力学如何缓和干扰，这是我们未来可以用来制造以特定方式运行的液体结构的见解，”共同作者 Tom Russell 说，伯克利实验室的访问科学家和麻省大学阿默斯特分校的教授。

APS X射线工具的未来

随着APS目前正在进行重大升级，科学家们有可能在未来从XPCS等技术中获得更多收益。

升级后的APS将大大提高 X 射线束的相干性，这意味着射线波前的同步程度，这种特定技术将因此提高多达一百万倍。

“这些升级将极大地扩展我们未来可以用这种技术测量的材料类型，”张说。“看到APS在未来几年可以实现的新科学将是令人兴奋的。”

“水-油界面纳米球组件的松弛和老化 ”于 2022 年 6 月 6 日在ACS Nano 上发表。这项研究得到了美国能源部科学办公室基础能源科学办公室以及国家科学局科学研究生研究计划基金会和能源部办公室的支持。

2022 年 7 月 19 日在线发表在《美国国家科学院院刊》上的“被捕软材料应力松弛的微观动力学 ” 。这项研究得到了美国国家科学基金会、美国陆军研究办公室和DOE的支持。

关于高级光子源

美国能源部科学办公室位于阿贡国家实验室的先进光子源 (APS) 是世界上生产力最高的 X 射线光源设施之一。APS为材料科学、化学、凝聚态物理、生命和环境科学以及应用研究领域的多元化研究人员社区提供高亮度 X 射线束。这些 X 射线非常适合探索材料和生物结构；元素分布；化学、磁性、电子状态；以及从电池到燃料喷射器喷雾的各种技术上重要的工程系统，所有这些都是我们国家经济、技术和身体健康的基础。每年，超过 5,000 名研究人员使用与任何其他 X 射线光源研究机构的用户相比，APS制作了 2,000 多篇详细介绍有影响力的发现的出版物，并解决了更重要的生物蛋白质结构。APS科学家和工程师创新技术，这是推进加速器和光源操作的核心。这包括产生被研究人员珍视的极亮 X 射线的插入设备、将 X 射线聚焦到几纳米的透镜、最大限度地提高 X 射线与正在研究的样本相互作用的方式的仪器，以及收集和管理APS发现研究产生的大量数据。

这项研究使用了先进光子源的资源，这是美国能源部科学办公室用户设施，由阿贡国家实验室根据合同号DE-AC02-06CH11357为美国能源部科学办公室运营。

阿贡国家实验室寻求解决紧迫的国家科学技术问题。作为美国第一个国家实验室，Argonne 在几乎所有科学学科中开展前沿的基础和应用科学研究。阿贡的研究人员与来自数百家公司、大学以及联邦、州和市政机构的研究人员密切合作，帮助他们解决具体问题，提升美国的科学领导地位，并让国家为更美好的未来做好准备。Argonne 拥有来自 60 多个国家/地区的员工，由美国能源部科学办公室的 UChicago Argonne, LLC 管理。

美国能源部科学办公室是美国物理科学基础研究的最大支持者，致力于解决我们这个时代最紧迫的一些挑战。如需更多信息，请访问https://energy.gov/science 。

原文：X-rays track the behavior of soft materials

供稿：符 斌