先进的3D X射线成像：揭开纳米结构设计的秘密

来自 实验室仪器网

三维纳米结构是许多应用领域取得进展的关键。纳米结构由纳米材料、天然材料和人造材料构成，其宽度比人类头发的宽度小10,000多倍。纳米结构对从新生物材料到催化剂再到太阳能电池和其他与光相互作用的设备等所有领域都很重要。创建这些纳米结构的一种方法是使用定制的 DNA来编程材料的组装。这为开发可在纳米级调整特性的新材料开辟了道路。为了协助这项工作，研究人员开发了一种新的创纪录的3D成像工具。该工具使用高能 X射线来揭示或“可视化”纳米材料的内部结构。

为了构建纳米结构，研究人员需要在三维空间中探测这些结构在不同组装状态下的内部结构。目前纳米级的探测方法存在局限性。研究人员使用了多种方法，包括使用强光源进行 X射线计算机断层扫描 (CT)。扫描结果提供了创纪录的 7 纳米分辨率和材料中元素的信息。然后，研究人员构建了3-D框架来揭示纳米结构的缺陷和界面。这也有助于阐明纳米结构的组装方式。

自下而上的纳米制造是一种通过功能性纳米组件的自组装来创建复杂3D材料的极具吸引力的策略。特别是，DNA编码可以提供极大的结构和成分控制水平，用于编程独特而具体的材料组织。在这项研究中，该团队设计了一种具有新颖催化、机械和电子特性的新型自组装纳米材料。该研究利用了布鲁克海文国家实验室 (BNL) 能源部 (DOE) 用户设施功能纳米材料中心 (CFN) 的能力。

虽然这种技术为研究人员提供了对设计材料的极大控制，但尚不清楚不同的设计和制造协议如何影响材料的结构和功能。通过将 BNL的另一个DOE用户设施国家同步加速器光源II (NSLS-II) 的出色X射线源与纳米聚焦多层劳厄透镜相结合，该团队在NSLS-II的硬X射线纳米探针 (HXN) 光束线上开发了一种 X射线CT工具，可以对纳米材料的内部结构进行成像。

这项研究的一个重要步骤是开发新的软件工具，帮助将大量数据分解成可以处理和理解的部分。该团队通过迭代过程克服了识别形成结构中不同类型缺陷的重大挑战，从而实现了单个纳米颗粒和框架的3D可视化。通过这一过程，该团队还通过标准分析和机器学习方法验证了 X射线显微镜创纪录的分辨率。

通过自下而上制造技术创造的新型功能纳米材料、先进的3D X射线 CT工具和新颖的分析软件相结合，为通过协同用户设施实现更快的材料开发和表征打开了大门。

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