用于非理想样品的快速高分辨率同步辐射XRD的甘多尔菲型夹具演示

在真实材料中看见隐藏的结构

许多清洁能源、电池和先进合金背后的技术，依赖于理解真实且常常杂乱材料中原子的排列方式。然而，最精确的X射线工具通常要求理想的、细磨的粉末，这与材料在器件或自然中实际的样貌不同。本文介绍了一种新的X射线测量装置，可以在不需先粉碎或大量处理样品的情况下，从难处理的样品（例如熔融金属、在熔盐中生长的晶体或稀有矿物颗粒）获得高质量的结构信息。

传统X射线方法为何力不从心

粉末X射线衍射是揭示材料中存在哪些晶体结构以及它们如何随温度、压力或化学反应变化的标准手段。产生极其明亮X射线的同步辐射设施可以非常快速地收集这些数据并获得极高的细节。然而，当样品为细、随机粉末时该方法效果最佳。粗大的晶粒、单一晶体或熔融样品会产生稀疏或畸变的衍射图样，令可靠定量变得困难。制备理想粉末并非总是可行——有时研磨样品反而会破坏研究者希望研究的结构。

让样品沿两个方向旋转

为克服这一难题，作者设计了一种“甘多尔菲型”夹具，使样品同时绕两个轴旋转。一个轴垂直于X射线束，另一个轴倾斜45度并可非常高速旋转。当样品以这种精确控制的滚动方式转动时，会有更多的晶体取向满足衍射条件，因此所得信号更像理想粉末的结果。该装置安装在日本SPring-8同步辐射的高分辨率光束线上，并与多个快速二维X射线探测器配合，探测器置于远离样品的长距离处。这一组合既实现了尖锐的角分辨率，也能非常快速地收集数据。

实时捕捉液体、熔体与晶体生长

研究团队在若干苛刻情形下验证了他们的系统。首先，他们测量了在玻璃毛细管中熔化后再固化的锌——这种情况下通常会形成大晶粒并破坏粉末数据。若不旋转，探测器仅显示少数锐点；单轴旋转时图样有所改善但仍不完整。而双轴旋转则产生平滑、近乎连续的衍射环，并且与结构模型的一致性明显提高，证明了颗粒统计量已足够。接着，他们观察了高于熔点的锌并分析了液体中原子的排列。通过倾斜旋转的毛细管，熔融金属在重力作用下仍能保持稳定位置，产生平滑连续的图样和与先前高质量研究相吻合的对分布函数曲线。

追踪电池材料与微小矿物

研究者随后跟踪了在熔盐混合物中随温度升高形成的电池正极材料LiCoO₂的过程。由于在倾斜几何下液相和固相保持稳定，随着初始钴氧化物相消失并LiCoO₂占据主导地位，衍射峰的演变可以被可靠地追踪。最后，他们检查了一小块San Carlos橄榄石（一种广泛研究的地幔矿物）。利用双轴旋转、快速探测器和长样品到探测器距离，他们在约两分钟内收集到了高分辨率图样。逐帧分析使他们能够分离重叠峰并识别出几乎所有预期的衍射反射，从而获得精确的晶格参数，证明即使是微小或难以粉碎的晶体也能高效表征。

为更真实的测量打开大门

总体而言，这种新的双轴旋转夹具将一个要求高的同步辐射仪器变成了更为多才多艺的工具。它能从粗粒、熔融、稀有或对研磨敏感的样品中快速提供高质量的衍射数据和详细的局部结构信息。这意味着研究者可以更接近材料的真实工作状态进行研究——例如在熔剂中的电池电极、经历相变的金属或珍贵的外星颗粒——而无需牺牲数据质量。在实践层面，该方法有望加速材料开发并扩大可用先进X射线技术探测的体系范围。

引用: Kobayashi, S., Kawaguchi, S., Mori, Y. et al. Demonstration of a Gandolfi-type attachment for fast high-resolution synchrotron XRD of non-ideal specimens. Sci Rep 16, 13213 (2026). https://doi.org/10.1038/s41598-026-43550-4

关键词: 同步辐射X射线衍射, 甘多尔菲旋转, 非理想样品, 原位晶体生长, 高分辨率粉末XRD