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Light Publishing Center、長春光学研究所、精密機械物理学、CAS

画像: (a) 高度光子源ビームライン 8-ID-I のペンダントドロップセットアップでの SA-XPCS 測定。 左側の挿入図は、ペンダント ドロップと基準セットアップからの XPCS 結果の比較を示し、右側の挿入図は、測定中にピペット チップからぶら下がっている滴の拡大光学画像を示しています。 赤色レーザーは、X 線ビームの垂直方向の大まかな位置合わせに使用されます。 (b) Nvidia Isaac シミュレーションにおけるロボット ペンダント ドロップ セットアップの「デジタル ツイン」。X 線測定のために電子ピペットが取り付けプレートにドッキングされています。 赤い線と矢印は、入射 X 線ビームと散乱 X 線ビームを示します。 図でラベルが付けられている項目は次のとおりです。 1. ロボット アーム。 2.電動ピペット; 3. 取り付けプレート; 4.ロボットツールチェンジャー; 5. 直径 1 mm の X 線通過機能を備えた反射ミラー。 6. 光学顕微鏡およびカメラシステム。 7. PCR プレートとピペットチップを備えたサンプル準備ステーション。 (c) ビームライン 8-ID-I の隣接する化学実験室にあるロボット ペンダント ドロップ セットアップ。電子ピペットが液体処理のために新しいピペット チップを拾う様子が示されています。 右上の挿入図は、インライン光学システムによって捕らえられた、吊り下げられたペンダント ドロップを示しています。もっと見る

クレジット: Qingteng Zhang

柔らかい素材は、私たちが食べる食べ物から、私たちが使用する製品、そして私たちの体を構成する材料に至るまで、私たちの日常生活のいたるところにあります。 柔らかい素材の例には、クリーム、歯磨き粉、血液などがあります。 ほとんどの軟質材料は複雑な流体であり、これは、それらが 2 つ以上の相の巨視的に均一な混合物を含んでいることを意味します。 軟質材料内の相構造間の動的競合は、その特性だけでなく、これらの特性の調整可能性と可逆性にも重大な影響を与える可能性があります。 たとえば、一部の液体は、せん断が適用された後、一時的により流動性が高くなります (せん断減粘とも呼ばれます)。 ケチャップは、ボトルから絞り出すときは流れやすく、お皿の上に置いたときは静止するように設計されています。 したがって、さまざまな条件下で競合する相によって形成される空間構造の自発的ダイナミクスを理解することは、軟質材料のカスタマイズされた設計にとって不可欠です。

軟質材料における自発的ダイナミクスの特性評価は、困難な課題です。 水に懸濁したシリカ ナノ粒子のバイアルを考えてみましょう。これは比較的単純な柔らかい材料です。 ナノ粒子のダイナミクス (ブラウン運動など) はナノメートル範囲およびマイクロ秒の時間スケールで発生するため、バイアル内のすべての粒子の正確な位置を常に追跡することは不可能です。 軟質材料の巨視的特性は通常、力学の統計、つまり特定の長さスケールでシステムがどれだけ速く進化するかによって決定されるため、そのような情報も不要である可能性があります。 これは、光子相関分光法 (PCS、動的光散乱とも呼ばれる) によって報告される基本量です。 PCS では、光レーザーがナノ粒子懸濁液を透過し、散乱光の強度の時間的無相関化によってナノ粒子の位置の変化が評価されます。 ただし、PCS は不透明な素材には適していません。 さらに、PCS は、粒子が自由に拡散せず、力学がアインシュタイン・ストークス方程式で記述できない系 (コロイドゲルなど) の拡散率を測定できません。 これらの制限は、X 線光子相関分光法 (XPCS) の開発によって最終的に解決されます。

XPCS は、柔らかい材料の自発的なダイナミクスを特徴付けるための強力な技術です。 空間的にコヒーレントな（つまり「レーザーのような」）X 線ビームを使用して、ミクロンからナノメートルの範囲内のすべての長さスケールでダイナミクスを調査します。 これは、大きなピクセル化された領域の検出器を使用することによって可能になり、散乱角はそれが表す長さスケールに反比例するため、ダイナミクスをすべての長さスケールで同時に記録することができます。 XPCS の最大の欠点は、PCS よりも可用性がはるかに低いことです。 まず第一に、現在、XPCS 実験を実行できるシンクロトロンは世界中で 10 基未満です。 第二に、コヒーレント X 線は、シンクロトロン X 線ビームを空間的にトリミングしてコヒーレント部分を選択することによって得られます。これにより、X 線束が 10 ～ 100 分の 1 に減少します。 しかし、これらの問題は、第 4 世代 X 線源の世界的な建設と試運転によって解決されつつあります。 これらの線源はコヒーレント X 線束を最大 100 倍増加させるため、束制限された XPCS 特性評価の測定時間を最大 10,000 分の 1 に短縮します。 これにより XPCS の可用性が大幅に向上しますが、人間の帯域幅という新たなボトルネックも発生します。 施設の利用者は、それほど多くのサンプルを作成したり、それほど多くの情報を処理したりすることはできません。 しかし、この課題は、急速に成長する AI とロボット工学の分野に最適です。