纳米级科学的宇宙方法：世界领先的纳米材料分辨率

宇宙显微镜的概念图，紫色显示X射线。所有设备安装在中央缸中。当样品保持静止时，相对于该圆筒扫描区域板，一种X射线光学器件。该仪器允许在传统显微镜和增强的成像技术之间快速切换，称为PTYChoge。

伯克利实验室的仪器的先进光源实现了世界领先的纳米材料分辨率。

宇宙，劳伦斯伯克利国家实验室（Berkeley Lab）先进光源（ALS）的多用途X射线仪器，自从少于2年前的发射以来，在科学界进行了进展，在电池到生物化的田地中，突破性的贡献。

COSMIC是ALS中最亮的X射线束线，一个同步射击，产生强烈的光 - 从红外线到X射线 - 将其传送到几十个波束线上，以执行一系列同时的科学实验。宇宙的名称来自相干散射和显微镜，这是其设计开展的两个总体X射线技术。

其能力包括世界领先的软X射线显微镜分辨率低于10纳米（亿米），极端化学灵敏度，超快扫描速度以及实时测量样品中纳米级化学变化的能力，并促进勘探具有X射线和电子显微镜的组合的样品。软X射线表示X射线能量的低范围，而能量的硬X射线较高。每种类型都可以解决不同的实验范围。

宇宙正在为长期项目设置舞台，以升级数十年的als。努力，称为ALS升级（ALS-U），将用最先进的技术取代现有的大部分加速器组件，确保能够实现世界领先的软X射线科学的能力。升级还将进一步提高宇宙在广泛样本的结构和化学中捕获纳米级细节的能力。

X射线亮度的预期100倍增加，即ALS-U将递送将在宇宙中的成像速度增加类似的成像速度，并且成像分辨率的三倍提高，使得具有单纳米分辨率的显微镜。此外，现在正在宇宙中开发的技术将在升级的ALS上部署在其他光束线上，使得具有更高的X射线能量的显微镜，对于许多更高的实验。该仪器是通过同行评审的提案流程免费提供给来自世界各地的科学家的许多高度专业资源之一。

2020年12月16日发布的杂志文章在科学推进中，[1]突出了一些宇宙现有的能力和那些正在进行的人。本文提供了在成像磁性纳米颗粒中实现的8纳米分辨率的例子，加热期间电池阴极材料的高分辨率化学映射，以及在宇宙处的冷冻水合酵母细胞的高分辨率成像。（阴极是一种电池电极，电流流过的组件。）这些结果作为示范案例，揭示了关于这些材料的结构和内部工作的关键信息，并在许多科学领域开展进一步见解。

PTYChoge偏振依赖性成像对比度（PIC）在宇宙束线上产生的颜色（顶行）和黑白（下排）中的三个珊瑚骨骨架颗粒的地图。图像显示晶体取向。

另一篇杂志第2021册发布，在2021年1月19日出版，在国家科学院的诉讼程序中，[2]展示了首次使用X射线线性二向色PTYChoge，专业的高分辨率成像技术在宇宙中提供，以映射被称为条形的晶体的取向，其以35纳米分辨率存在于珊瑚骨架中。该技术展示了在高分辨率和3D中映射其他生物纳米样本的承诺，这将为他们的独特属性提供新的见解以及如何模仿和控制它们。由于其强度，弹性和其他理想的性质，一些生物体引发了人造材料和纳米材料。

“我们使用这种用户友好的独特的材料特性，以展示世界领先的空间分辨率，与Outmando和低温显微镜相结合，”纸张的主要作者和宇宙的显微镜实验的主要科学家David Shapiro说。他还领导了ALS显微镜计划。“Outmando”描述了在发生时测量样本的变化的能力。

“没有其他仪器，这些能力在这个分辨率下为X射线显微镜考虑而定位，”Shapiro说。宇宙可以为纳米级内部运作提供新的线索，即使它们积极发挥作用，这将导致更深层次的了解和更好的设计 - 用于电池，催化剂或生物材料。他指出，用这种普及能力的宇宙具有如此的能力，需要跨科学学科的同样广泛的合作。

宇宙贡献者包括Berkeley Lab的相机成员（用于能源研究应用程序的高级数学中心）团队，包括计算机科学家，软件工程师，应用数学家等;信息技术专家;探测器专家;工程师;分子铸造厂电子显微镜中心中心的科学家; als科学家;国家科学基金会频闪科技中心和斯坦福大学的外部合作者。

不同组开发的几种先进技术被整合到这一件乐器中。本文报道的宇宙中示范的关键是X射线PTYChography的实现，这是一种计算机辅助图像重建技术，可以超过传统技术的分辨率高达约10倍。

具有传统方法，空间分辨率 - 区分样品中微小功能的能力 - 受X射线光学元件的质量有限，以及它们将X射线束集中成一个小点的能力。但是传统的X射线光学器件是用于操纵X射线光的仪器更清楚地看到样品，难以使，效率低下并且具有短的焦距。

宇宙PTychography团队成员收到2018年Klaus Halbach奖，由Als用户执行委员会成员Ashley Head提出。从左起：Ashley Head，David Shapiro，Rich Celestre，Lee Yang，Bjoern Enders，Susan James，Stefano Marchesini，Hari Krishnan，Kasra Nowourouzi和Young-Sang Yu。

PTychography而不是依赖于不完美的光学，PTychography记录大量物理上重叠的衍射图案 - 这是从样品中作为X射线光散射的图像产生的图像 - 每个都提供一小块全图。PTychography技术而不是受到光学质量的限制，受到X射线源的亮度的限制 - 精确地参数，即ALS-U预期改善百倍。为了捕获和处理大量数据并重建最终图像，需要数据处理设施，计算机算法和专业的快速像素探测器，如伯克利实验室开发的那些。

“X射线PTychography是一种启用探测器的技术 - 首先使用混合像素探测器的硬（高能）X射线部署，然后在与我们开发的FastCCD的ALS上，”ALS探测器程序铅谁在宇宙的实施中致力于领导工程师约翰约瑟夫。“大部分宇宙技术受益于实验室指导的研发（LDRD）计划，如Fastccd，它将宇宙学的工具转化为宇宙观测。”Berkeley Lab的LDD计划支持创新的研究活动，使实验室保持在科学和技术的最前沿。

PTychography利用一系列散射图案，从样品中产生作为X射线光散射。通过运行高性能算法的计算机分析这些散射模式，该计算机将它们转换为高分辨率图像。

这些图像使用称为Operando SpectromicRoscopy的技术显示在宇宙束线上的纳米颗粒的化学变化。在加热，左右加热至300摄氏度之前，LixFepo4颗粒样品显示为300摄氏度。FEPO4化学成分以红色显示，LiFePO4组分以绿色显示。秤条是一个微米，像素尺寸为五纳米。

在12月16日，2020年12月16日，研究人员强调了PTychographic图像如何在磷酸铁锂电池阴极材料的微观粒子中看到高分辨率化学分布（Li0.5fepo4）。PTychrapue图像在颗粒的内部显示纳米级化学特征，所述颗粒内部不可见，所述成像技术的传统形式，称为Spectromicrocopy。

在宇宙的PTYChoge拍摄的单独演示中，研究人员在进行加热时注意到LixFepo4纳米颗粒的集合中的化学变化。

PTychography也是宇宙沉重的数据需求的源泉。光束线可以每天产生几种数据，或足以填充一些笔记本电脑。COSMIC成像所需的密集计算需要专用GPU（图形处理单元），这是专门的计算机处理器。

Shapiro指出，ALS升级将进一步推动其需求的预期每天100塔，预计每天100吨。已经讨论了伯克利实验室国家能源研究科学计算中心（NERSC）的更多资源来讨论的计划，以适应数据的数据。

宇宙是伯克利实验室的超级空缺项目的恒星示例，旨在将像ALS和尖端仪器的光源联系起来，包括与数据和高性能计算资源的显微镜和望远镜实时，是Bjoern End，数据科学工作流程在NERSC的数据科学参与小组的建筑师。

“我们喜欢宇宙等乐器的数据和计算挑战，这些宇宙境内的宇宙之外的设施边界，”恩斯特说。“我们正在向未来工作，它可以像按钮一样简单，点击使用NERSC从BeamLine中的资源。”他补充说，在NERSC中添加了新的Perlmuter超级计算机，“将成为团队科学中宇宙的理想伴侣。”

在宇宙显微镜光束线上，研究人员使用扫描透射X射线显微镜（STXM）探测了化学元素铈的氧化状态，在手术机条件下。这是在宇宙处的这种能力的第一次演示。结果证实了铈颗粒如何规定了铂颗粒的反应位点的尺寸和位置。在该艺术描述中，杂交Ceox-TiO2纳米颗粒（银球）被均匀地覆盖有铂和铈对（黄色和蓝色），而常规的二氧化钛颗粒被示出较少覆盖覆盖较大的铂簇（金）。

宇宙于2017年3月开始在调试模式中启动，并于2年前向一般科学实验开放。从此时，仪器人员推出了测量活性化学过程的操作扬声能力，例如，并推出线性和圆形二向色显微镜和断层扫描能力，进一步扩展了宇宙的成像实验范围。

它的相干散射分支现在正在进行测试，尚未适用于外部用户。工作也在继续将其X射线显微镜的结果与电子显微镜相关的结果相关，并进一步发展其低温能力，这将使生物样品和其他软材料免受超级X射线束免受损坏的影响虽然他们正在成像。X射线和电子显微镜的组合可以提供有关采集样本的详细化学和结构信息的强大工具，如在涉及期刊科学推进中突出的宇宙的实验中所示。[3]

Shapiro指出，有计划将一个新的实验站引入梁线上，与ALS-U定时，以适应更多的实验。

宇宙成功的一个秘诀在于仪器专为与标准样品处理组件的兼容性而设计。Shapiro表示，这种用户友好的方法“对我们来说非常重要”，使学术界和工业的研究人员更容易设计宇宙兼容的实验。“用户可以展示和插头（样本）。它会在科学上增加我们的范围，”他说。

虽然宇宙装满了功能，但它并不笨重，而shapiro将其描述为“精简大小和成本”。他说他希望它将成为未来光束线的模型，无论是在ALS-U和其他同步rotron设施。

“我认为真正有吸引力的是，它是一个非常紧凑的乐器。这是高性能和非常稳定的，“他说。“这是非常可管理的，而不是非常昂贵。在这种意义上，它应该非常有吸引力的同步rotrons。“

参考：

ALS，分子铸造和NERSC都是美国母鹿的科学用户设施办公室。