Att förstå hur kemiska reaktioner sker på små kristaller i flytande lösningar är centralt för en mängd olika områden, inklusive materialsyntes och heterogen katalys, men för att få en sådan förståelse krävs att forskare observerar reaktioner när de inträffar.

Genom att använda koherenta röntgendiffraktionstekniker, forskare kan mäta den yttre formen och töjningen i nanokristallina material med en hög grad av precision. Dock, att utföra sådana mätningar kräver exakt kontroll av positionen och vinklarna för den lilla kristallen med avseende på den inkommande röntgenstrålen. Traditionellt, detta har inneburit att man fäster eller limmar kristallen på en yta, vilket i sin tur spänner kristallen, vilket förändrar dess struktur och påverkar potentiellt reaktiviteten.

"Med optisk pincett, du kan fånga en enda partikel i sitt ursprungliga tillstånd i lösning och se dess strukturella utveckling, sa Linda Young, Argonne framstående karl.

Nu, forskare vid US Department of Energy's (DOE) Argonne National Laboratory och University of Chicago har utvecklat en ny teknik som kombinerar kraften i nanoskala "traktorstrålar" med kraftfulla röntgenstrålar, gör det möjligt för dem att placera och manipulera kristaller i lösning som inte är i kontakt med substrat.

Traktorstråltekniken är känd som "optisk pincett, "som också av en slump fick Nobelpriset i fysik 2018, eftersom det gör att prover kan manipuleras med endast ljus.

Medan vanliga optiska pincetter involverar en enda fokuserad laserstråle, den holografiska optiska pincetten som används i studien involverar lasrar som är exakt modifierade med en rumslig ljusmodulator. Dessa lasrar reflekteras från en spegel för att skapa ett interferensmönster för "hotspots" som både är mer lokaliserade än en helt enkelt fokuserad laserstråle och har snabbt omkonfigurerbara platser. Den elektriska fältgradienten för dessa fokuserade hotspots lockar den polariserbara kristallen och håller den på plats.

Med en pincett inkopplad - var och en i ena änden av kristallen - kunde Argonne-forskarna manipulera halvledarmikrokristallen i tre dimensioner med hög precision i närvaro av en flytande lösning och utan att exponera den för andra ytor.

"Vanligtvis, när människor tittar på mikrokristaller med röntgendiffraktion, de är limmade på en provhållare, som orsakar en snedvridning, "sade Argonne utmärkta kollega Linda Young, en motsvarande författare till studien. "Men nu, med optisk pincett, du kan fånga en enskild partikel i dess ursprungliga tillstånd i lösning och se dess strukturella utveckling. I princip, du kan lägga till reaktanter, fånga upplösning eller reaktion och övervaka förändringar på atomnivå. "

Genom att få förmågan att manipulera provet med endast ljus, Young och hennes kollegor kunde dra nytta av de sammanhängande röntgenstrålarna som producerades av Argonnes Advanced Photon Source (APS), en DOE Office of Science User Facility. Med hjälp av en teknik som kallas Bragg coherent diffraction imaging (CDI), forskarna kunde undersöka kristallens struktur under verkliga förhållanden och från ett antal olika vinklar.

Genom att para ihop optisk pincett med Bragg CDI, forskare har nu ett nytt sätt att utforska material i flytande media, förklarade forskaren Brookhaven National Laboratory (BNL) Yuan Gao, studiens första författare. "Vår upptäckt kommer från en kombination av olika tekniker - inklusive parning av lasrar med den koherenta strålen från APS, "sa han." För att få experimentet att fungera, vi behövde nanofabriceringstekniken vid Center for Nanoscale Materials för att göra provcellen också. "Center for Nanoscale Materials (CNM) är också en DOE Office of Science User Facility.

Enligt Young, tekniken kan vara användbar för ett brett spektrum av framtida studier, inklusive kärnbildning och kristalltillväxt. "Vanligtvis, människor tittar på isolerade nanokristallina prover i luft eller i vakuum. Vi ville kunna styra sådana föremål i vätskefasen. Till exempel, vi ville kunna se katalys eller kristallisering utvecklas i realtid med den precision som röntgenkristallografi ger, " Hon sa.

Gao pekade på stabiliteten från den optiska pincetten som en primär fördel för framtida koherenta röntgenförsök. "Koherent diffraktion är mycket känslig för provets position och orientering, och detta experiment visade möjligheterna med denna nya teknik, "sa han. På grund av teknikens stabilitet, utredarna kunde få koherenta diffraktionsdata, vilket gjorde att de kunde rekonstruera provet med sub-nanometer noggrannhet, avslöjar subnanometerskaliga defekter och korngränser inom den skenbart kristallina ZnO-mikrokristallen.

"När vi ser mot uppgraderingen av APS, vilket ökar röntgenstrålarnas ljusstyrka med storleksordningar, dessa mätningar kommer att vara mycket snabbare och ge ännu mer spännande insikter i hur prover förändras över tid, "tillade Ross Harder, en Argonne -fysiker vid APS som är författare på tidningen.

Så småningom, forskarna skulle vilja förlänga tekniken för att fånga den ultrasnabba utvecklingen av kristallen när den exciteras av en laserpuls, sade professor i kemi vid University of Chicago Norbert Scherer, en annan författare till tidningen. "Detta är det första steget för att uppnå vår större ambition, vilket är att visualisera den tidsberoende strukturella dynamiken för hur gitteret förändras, " han sa.

För att genomföra experimentet, forskarna förlitade sig på skapandet av mikrofluidiska komponenter vid CNM. Elektrodynamiska simuleringar utfördes också vid CNM:s högpresterande datorkluster Carbon. Forskare från University of Chicago bidrog med sin expertis om den holografiska optiska pincetttekniken.

Ett papper baserat på studien, "Tredimensionell optisk infångning och orientering av mikropartiklar för koherent röntgendiffraktionsavbildning, "dök upp i den 11 februari onlineutgåvan av Förfaranden från National Academy of Sciences .