X射线研讨展现了掌握通报热量的份子振动的要领

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研讨结果为“调解”材料打开了新的门路,以减缓或阻隔热量,声响和其他情势的能量

美国能源部(DOE)布鲁克海文国度试验室的科学家开发出一种新要领来跟踪软材估中的动态份子特征,包含通报热量,声响和其他情势能量的高频份子振动。在诸如聚合物或液晶化合物之类的软材估中掌握这些振动波可以发作一系列能量启示的立异 – 从热绝缘和隔音绝缘体到将废热转化为电能或将光转化为机器活动的体式格局。

在方才宣布在“ 纳米快报”上的一篇论文中,科学家形貌了在国度同步加速器光源II(NSLS-II)上运用新组织的非弹性X射线散射(IXS)光束线,该光束具有亘古未有的能量分辨率,用于监测振动的流传。经由历程三种差别相的液晶化合物。他们的研讨结果表明,跟着温度升高而发作的纳米级构造变化 – 跟着液晶变得不那么有序 – 显着地破坏了振动波的活动。因而,挑选或转变份子的“相位”或分列可以掌握振动和能量活动。

“经由历程调解构造,我们可以转变这类材料的动态特征,”该论文的第一作者布鲁克海文物理学家Dima Bolmatov说。

该手艺还可用于研讨其他软体系中的动态历程,比方生物膜或任何范例的庞杂流体。

“比方,我们可以看看细胞膜中的脂质份子怎样相互配合,构成细小的多孔地区,以至更小的分​​子,如氧气或二氧化碳,可以经由历程 – 看看气体交流怎样在鳃和肺部运作,“博尔马托夫说。

假如没有NSLS-II(Brookhaven Lab的DOE Office of Science用户设备)的奇特功用,就没法跟踪这类疾速动态特征。NSLS-II发作极为通亮的X射线,可用于普遍的科学范畴。

在IXS光束线上,科学家用这些X射线轰击样品并丈量它们摒弃或取得的能量,准确度在电子伏特的千分之二之内,以及它们从样品中散射出来的角度 – 纵然在异常小角度。

“能量交流通知我们使一些份子以波浪状活动振动所需的能量。散射角探测在样品内差别长度标准上流传的振动 – 从险些一个份子到几十纳米。NSS-II的新IXS光束线可以以亘古未有的精度处理这些长度标准,“IXS光束线的首席科学家Yong Cai说。

“这两个参数 – 散射角和能量 – 之前从未在软材估中获得很好的丈量。因而,该光束线的手艺特征使我们可以准确定位振动并跟踪它们在差别长度标准上沿差别方向的流传 – 纵然在缺少有序实体构造的材估中,“他补充道。

在液晶研讨中,布鲁克海文试验室的科学家及其在肯特州立大学和奥尔巴尼大学的合作者在三种差别的温度下进行了丈量,由于材料从有序的结晶阶段转变为不太有序的“近晶”状况,末了是“各向同性”液体。他们很轻易经由历程最有序的相位检测到振动波的流传,并表明无序的涌现“杀死”了低能量“声剪”振动的流传。声剪切振动与份子在垂直于流传方向的方向上的紧缩相干联。

“晓得动态边境在材料之间的作用,如有序固体和无序软材料 – 为我们供应了一种掌握纳米标准能量传输的要领,”Bolmatov说。

在“近晶”阶段,科学家们还观察到与份子倾斜相干的振动。这类范例的振动可以与光相互作用并吸取它,由于振动的太赫兹频次与红外光或热波的频次相匹配。因而,转变材料特征可以掌握这些情势的能量在材估中的挪动体式格局。Bolmatov说,这些变化可以经由历程转变材料的温度来完成,如本试验所做的那样,也可以经由历程施加外部电场或磁场来完成。

这为新的所谓声响或光机器运用铺平了途径,声响或光与机器振动相结合。这类耦合使得可以经由历程施加外部光和声响来掌握材料,反之亦然。

“我们都熟习在显示屏中运用液晶光学特征的运用,”Bolmatov说。“我们发现了可以掌握或支配新属性的新属性。”

该团队将继承研讨IXS的软材料,包含在夏日运用嵌段共聚物,纳米颗粒组件,脂质膜和其他液晶的设计试验。

“IXS光束线如今也向外部用户开放 – 包含对这些以及其他软材料和生物历程感兴趣的科学家,”蔡说。

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