據外媒報道，科學家們希望，通過強大的X射線光束檢測微小的黃金顆粒，能夠找到減少機動車有害一氧化碳（CO）排放的方法。
（圖片來源：阿貢實驗室）
據美國環保署介紹，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，需要進一步了解排氣系統內發生的化學反應。此類反應通常以金為催化劑，將CO轉化為CO2。
巴西同步加速器光實驗室(LNLS)的科學家Aline Passos和 Florian Meneau帶領研究團隊，利用先進光子源(APS)中的超亮X射線，在催化類似汽車尾氣中發生的反應時，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用戶設施。Passos表示：“如果能更好地理解這種催化作用，就可以對其進行優化，從而更好地進行設計，改善CO排放。”
為了進行實驗，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缺陷，使原子結構略微發生改變，以觀察其催化反應的方式是否受到影響。Meneau表示：“不同位置的原子發生變化，可以改變電子和化學性質，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過程中發生的變化?！?/p>
為了實現這一目標，該團隊來到APS，利用其光束線34-ID-C，對這些粒子進行“原位”成像實驗，即在樣品發生反應(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，科學家們使用金納米顆粒來氧化CO，并在反應發生時,捕捉到顆粒晶體結構的變化狀態。
阿貢X射線科學部(XSD)的研究人員Wonsuk Cha表示，挑戰在于開發能夠兼容成像技術的實驗室。“問題之一是樣本尺寸過小。光束大小通常為500nm寬，我們已經對監測樣品在光束中位置的技術進行了完善，以繼續進行實驗。”
這項實驗中使用的技術名為相干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，然后用計算機算法解釋這些信息，并由此生成圖像。XSD的物理學家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?！?/p>
Meneau表示，由此可以看到，這些納米顆粒經歷催化反應的另外一幅場景。所出現的圖像是顆粒的應變圖，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。數據還顯示，誘導化學變化可能影響應變，因此形狀和大小相同的納米顆粒經歷的反應不同。通過改變催化劑，反應本身可能在化學水平上發生變化。
雖然該實驗使用的樣品已經看起來很小，但在工業應用中，典型的金催化劑尺寸僅為5nm厚。研究人員表示，下一步將縮小規模，使用越來越小的樣本捕捉催化反應。APS正在為此進行大規模的項目升級，以將亮度和相干通量提高至現在的100到1000倍，改善衍射圖像品質。LNLS的新光源天狼星(Sirius)也將進行升級，并計劃于2021年上線。
