據(jù)外媒報道，科學(xué)家們希望，通過強(qiáng)大的X射線光束檢測微小的黃金顆粒，能夠找到減少機(jī)動車有害一氧化碳（CO）排放的方法。

（圖片來源：阿貢實驗室）

據(jù)美國環(huán)保署介紹，燃料動力汽車是大氣中最大的CO排放源。為了減少此類排放，需要進(jìn)一步了解排氣系統(tǒng)內(nèi)發(fā)生的化學(xué)反應(yīng)。此類反應(yīng)通常以金為催化劑，將CO轉(zhuǎn)化為CO2。

巴西同步加速器光實驗室(LNLS)的科學(xué)家Aline Passos和 Florian Meneau帶領(lǐng)研究團(tuán)隊，利用先進(jìn)光子源(APS)中的超亮X射線，在催化類似汽車尾氣中發(fā)生的反應(yīng)時，照射微小的金顆粒。APS是美國能源部位于阿貢國家實驗室的科學(xué)用戶設(shè)施。Passos表示：“如果能更好地理解這種催化作用，就可以對其進(jìn)行優(yōu)化，從而更好地進(jìn)行設(shè)計，改善CO排放?！?/p>

為了進(jìn)行實驗，Passos合成直徑約60nm的金納米顆粒(一張紙的厚度約10萬nm)，使其形成球形和立方體兩種形狀，并在一些粒子上引入一些化學(xué)缺陷，使原子結(jié)構(gòu)略微發(fā)生改變，以觀察其催化反應(yīng)的方式是否受到影響。Meneau表示：“不同位置的原子發(fā)生變化，可以改變電子和化學(xué)性質(zhì)，這一點眾所周知。然而，以前我們只能研究催化階段，無法觀察單個粒子在反應(yīng)過程中發(fā)生的變化?！?/p>

為了實現(xiàn)這一目標(biāo)，該團(tuán)隊來到APS，利用其光束線34-ID-C，對這些粒子進(jìn)行“原位”成像實驗，即在樣品發(fā)生反應(yīng)(例如溫度變化、壓力增加)時，利用APS的 X射線光束實時拍照。在這種情況下，科學(xué)家們使用金納米顆粒來氧化CO，并在反應(yīng)發(fā)生時,捕捉到顆粒晶體結(jié)構(gòu)的變化狀態(tài)。

阿貢X射線科學(xué)部(XSD)的研究人員Wonsuk Cha表示，挑戰(zhàn)在于開發(fā)能夠兼容成像技術(shù)的實驗室。“問題之一是樣本尺寸過小。光束大小通常為500nm寬，我們已經(jīng)對監(jiān)測樣品在光束中位置的技術(shù)進(jìn)行了完善，以繼續(xù)進(jìn)行實驗。”

這項實驗中使用的技術(shù)名為相干X射線衍射成像(CDI)。在CDI實驗中，X射線光束從樣品中衍射出來，并將信息模式投射到探測器上，然后用計算機(jī)算法解釋這些信息，并由此生成圖像。XSD的物理學(xué)家Ross Harder表示：“我們可以看到用普通光線看不到的納米級圖像。全球能做這個實驗的光源屈指可數(shù)?！?/p>

Meneau表示，由此可以看到，這些納米顆粒經(jīng)歷催化反應(yīng)的另外一幅場景。所出現(xiàn)的圖像是顆粒的應(yīng)變圖，即測量樣品受到壓力時的形狀變化，表明納米顆粒中最易受到催化作用影響的部分。數(shù)據(jù)還顯示，誘導(dǎo)化學(xué)變化可能影響應(yīng)變，因此形狀和大小相同的納米顆粒經(jīng)歷的反應(yīng)不同。通過改變催化劑，反應(yīng)本身可能在化學(xué)水平上發(fā)生變化。

雖然該實驗使用的樣品已經(jīng)看起來很小，但在工業(yè)應(yīng)用中，典型的金催化劑尺寸僅為5nm厚。研究人員表示，下一步將縮小規(guī)模，使用越來越小的樣本捕捉催化反應(yīng)。APS正在為此進(jìn)行大規(guī)模的項目升級，以將亮度和相干通量提高至現(xiàn)在的100到1000倍，改善衍射圖像品質(zhì)。LNLS的新光源天狼星(Sirius)也將進(jìn)行升級，并計劃于2021年上線。