Себя

Световой издательский центр, Чанчуньский институт оптики, точной механики и физики, CAS

изображение: (а) Измерения SA-XPCS на подвесной капельной установке на Beamline 8-ID-I, Advanced Photon Source. На вставке слева показано сравнение результатов XPCS для подвесной капли и эталонных установок, а на вставке справа показано увеличенное оптическое изображение капли, свисающей с кончика пипетки во время измерения. Красный лазер используется для грубого выравнивания рентгеновского луча в вертикальном направлении. (б) «Цифровой двойник» роботизированной подвесной капельной установки в моделировании Nvidia Isaac, где электронная пипетка пристыкована к монтажной пластине для рентгеновских измерений. Красные линии и стрелки обозначают входящие и рассеянные рентгеновские лучи. На рисунке отмечены следующие элементы: 1. Роботизированная рука; 2. Электронная пипетка; 3. Монтажные пластины; 4. Роботизированное устройство смены инструмента; 5. Зеркало отражающее с рентгеновским проходом диаметром 1 мм; 6. Оптический микроскоп и система камер; 7. Станция подготовки проб с ПЦР-планшетами и наконечниками для пипеток. (c) Роботизированная подвесная установка для капель в соседней химической лаборатории Beamline 8-ID-I, где показано, как электронная пипетка берет в руки свежий наконечник пипетки для работы с жидкостью. На вставке вверху справа показана подвесная капля, зафиксированная встроенной оптической системой.посмотреть больше

Фото: Цинтэн Чжан

Мягкие материалы повсеместно встречаются в нашей повседневной жизни: от еды, которую мы едим, до продуктов, которые мы используем, и материалов, из которых состоят наши тела. Некоторые примеры мягких материалов включают крем, зубную пасту и кровь. Большинство мягких материалов представляют собой сложные жидкости, то есть содержат макроскопически однородную смесь двух или более фаз. Динамическая конкуренция между структурами фаз в мягком материале может оказывать существенное влияние не только на его свойства, но также на возможность настройки и обратимости этих свойств. Например, некоторые жидкости временно становятся более текучими после приложения сдвига (так называемого разжижения при сдвиге). Кетчуп устроен таким образом, что он легче течет, когда его выдавливают из бутылки, и остается неподвижным, когда находится на тарелке. Поэтому понимание спонтанной динамики пространственных структур, образованных конкурирующими фазами в различных условиях, имеет важное значение для индивидуального проектирования мягких материалов.

Характеристика спонтанной динамики мягких материалов является сложной задачей. Рассмотрим флакон с наночастицами кремнезема, взвешенными в воде, которая представляет собой относительно простой мягкий материал. Динамика наночастиц (то есть броуновское движение) происходит в нанометровом диапазоне и в микросекундном масштабе времени, что делает невозможным отслеживание точного местоположения каждой частицы во флаконе в каждый момент. Такая информация также может быть ненужной, поскольку макроскопические свойства мягкого материала обычно определяются статистикой динамики, т.е. тем, насколько быстро система развивается на определенном масштабе длины. Это фундаментальная величина, которую сообщает фотонная корреляционная спектроскопия (PCS, также известная как динамическое рассеяние света). В PCS оптический лазер пропускается через суспензию наночастиц, а изменение положения наночастиц оценивается с помощью временной декорреляции интенсивности рассеянного света. Однако PCS не подходит для непрозрачных материалов. Кроме того, PCS не может измерить коэффициент диффузии систем, в которых частицы не являются свободно диффундирующими, а динамика не может быть описана уравнением Эйнштейна-Стокса (например, коллоидные гели). Эти ограничения в конечном итоге устраняются путем разработки рентгеновской фотонной корреляционной спектроскопии (XPCS).

XPCS — мощный метод для описания спонтанной динамики мягких материалов. Он использует пространственно-когерентный (то есть «лазерный») рентгеновский луч для исследования динамики на всех масштабах длины в диапазоне микрон-нанометр. Это стало возможным благодаря использованию детектора большой пиксельной площади, который позволяет записывать динамику одновременно на всех масштабах длины, поскольку угол рассеяния обратно пропорционален масштабу длины, который он представляет. Самый большой недостаток XPCS заключается в том, что он гораздо менее доступен, чем PCS. Прежде всего, в настоящее время в мире существует менее 10 синхротронов, способных проводить эксперименты XPCS. Во-вторых, когерентное рентгеновское излучение получается путем пространственного обрезки синхротронного рентгеновского луча для выделения когерентной части, что приводит к уменьшению потока рентгеновского излучения в 10–100 раз. Однако эти проблемы решаются путем глобального строительства и ввода в эксплуатацию источников рентгеновского излучения четвертого поколения. Эти источники увеличат поток когерентного рентгеновского излучения до 100 раз, тем самым сокращая время измерения характеристик XPCS с ограниченным потоком до 10 000 раз. Хотя это значительно повысит доступность XPCS, оно также создаст новое узкое место: пропускную способность человеческого ресурса. Пользователи объекта не смогут взять столько проб или обработать такой объем информации. Однако эта задача идеально подходит для быстрорастущей области искусственного интеллекта и робототехники.