通过Diamond-II的升级，软凝聚态科学具有光明的前景

2020年，软凝聚物(SCM)科学最重要的应用无疑是辉瑞生物科技和Moderna公司开发的COVID疫苗，该疫苗由脂质纳米颗粒[1]封装的合成信使RNA组成。供应链科学驱动生活质量的持续改进，因为供应链科学是广泛的工业部门的组成部分。这些部门包括食品安全和废物处理、农业、聚合物、涂料、添加剂制造、润滑剂和添加剂、个人护理、电子、储能、运输、卫生和医药。

SCM材料有一系列的物理状态，包括液体，半固体，蜡，玻璃和气溶胶。这就需要一套互补和多样化的仪器和方法来理解分子细节如何产生所需的宏观和材料的大块特性。钻石光源，自2007年开始运行，是英国的同步光源，并提供四种仪器(光束线)用于研究SCM材料:B21(高通量小角度x射线散射液体)，B22(红外纳米光谱和成像)，B23(紫外线圆二色光谱)和I22(通用小角度x射线散射和衍射非晶体材料)。
金刚石是一种圆形的电子加速器，它使电子保持在一个大轨道上(圆周561.6米)，接近光速(图1)。这产生同步辐射，从同步环切向发射细束，为实验提供红外(IR)、可见光、紫外线和x射线辐射。红外光谱能反映材料的化学环境，可应用于液体、软质材料、绘画甚至地质样品。B22的ir成像可以提供活细胞亚细胞分辨率的实时ir光谱(图2A)，允许实时跟踪代谢。B23利用来自同步加速器的偏振紫外光来研究具有手性的材料(手性指的是具有互补镜像的分子排列)。B23最近发现在50微米的空间分辨率(图2B和C)的聚合物薄膜中出现了磁光特性[2]。B21和I22利用x射线对非晶体材料进行散射和衍射。x射线允许增加穿透深度到被研究的材料，通知内部分子，层次结构。B21和I22结合起来，可以利用所谓的宽(WAXS)到小(s萨克斯)角度x射线散射范围在分子到纳米长度的尺度上探测样品(图1)。

利用纳米到微米尺度之间缺失的信息链接

非晶体材料代表了我们日常遇到的绝大多数材料。这些产品包括塑料和聚合物、巧克力、木材和木材制品、润滑剂、乳液、清洁产品、冰淇淋、酸奶、液晶显示器和药品，举几个不同的例子。许多SCM材料的体积特性和功能方面来自于分子到微米长度尺度上部分有序的层次结构(图2)[3]。自2009年以来，SAXS一直是这种部分有序系统结构研究的主要技术，B21和I22可靠地为英国科学家研究软物质问题提供了世界级的仪器。Diamond的互补束线套件可以覆盖广泛的长度和时间尺度。
然而，在纳米到微米尺度之间有一个缺失的介观信息窗口。出于这个原因，Diamond正在计划一个具有竞争力的世界级升级项目，叫做Diamond- ii，它将产生更细更亮的同步加速器光束。轨道上的电子以不同形状的包状运动，这些包状运动影响着同步辐射的质量。Diamond-II将利用最近在小型化和磁铁方面的进展，将电子塑造成更小、更圆的形状，为超小角度x射线散射(usax)研究产生最佳x射线束。
为了开发Diamond-II中的新的光束特性，我们提出了用于软凝聚态(X4SCM)光束线的x射线，这是一种世界领先的SCM科学仪器。它将提供第一个摄像头，同时观察微米到分子尺度的顺序，同时提供高亮度的多色x射线源，用于时间分辨研究。X4SCM将提供两种仪器形式:HIERARCHY，用于使用单色x射线捕获分子到微米尺度的结构研究(usax -to- waxs)和SNAPSHOT，用于高速、时间分辨研究，使用高通量、高聚焦的“粉色”x射线实现尖端动力学研究。
usax区域通过探测数百到数千纳米的长度尺度来观察当前缺失的信息。SCM材料由分子到纳米结构的构建块形成，在适度的热波动或机械应力下变形[3]。这些结构的大小、形状和空间分布决定了许多密集的材料特性，如粘度、韧性和抗拉强度以及压缩性。由于材料的组成可以变化，有几个问题需要例行调查，以了解突发特性，如材料中存在的结构特征的大小和形状是什么?这些特征是如何在空间上排列或关联的?这些特征是否与所需的机械、电子、界面或生物医学特性有关?
理解这些问题对于分散纳米粒子聚合物复合材料(聚合物纳米复合材料)尤为重要。类似于混凝土，聚合物纳米复合材料包含纳米颗粒作为聚合体，由悬浮聚合物粘结在一起。悬浮纳米粒子(分散态)的类型和浓度调节了纳米复合材料的中尺度结构特征，然而，这些分散态的必要分子到微米尺度的描述仍是未知的。usax -to- waxs对不同聚合物纳米复合材料共混物的常规测量是开启聚合物纳米复合材料作为未来设计材料的巨大希望的关键。
目前，usax是一种不常见的专用测量，使用Bonse-Hart相机或极长的相机长度，在测量过程中，研究者必须选择usax或saks，而不能同时选择两者[4]。邦斯-哈特相机以延长曝光时间为代价提供了特殊的分辨率。法国和日本都维护usax仪器，相机长度分别为31米和160.5米[5]。在这里，一个完整的usax -to- waxs图像需要在不同的相机配置下进行多次测量，对于具有x射线辐射敏感性的样品，将在许多样品上重复测量。
HIERARCHY将在一个38米的摄像头上策略性地放置4个探测器，允许从usax到WAXS区域同步测量(图3)，从而减少曝光和测量时间，同时在一次曝光中提供从微米到分子长度尺度的完整图像。X4SCM的HIERARCHY模态将在operando中提供测试材料的完整图像，为材料工程提供有价值的见解。

DXT和XFMS将为英国和欧盟科学界提供独特的实验能力。

许多SCM材料存在于元稳定状态，在中等力作用下以缓慢(大于秒)的弛豫时间变形。这些时间尺度可以在现有的同步加速器s萨克斯仪器上获得，然而，与分子热力学弛豫(亚毫秒)相关的时间尺度观测还不容易获得。X4SCM的SNAPSHOT模式将为金刚石科学界引入两种新技术，即衍射x射线跟踪(DXT)和x射线脚印质谱(XFMS)[6-7]。
DXT(图3C)是一种单分子技术，它使用X4SCM的多色x射线模式跟踪金纳米晶体标记材料的运动。多色x射线保持所谓的劳伊衍射条件，允许单个金纳米晶体的摆动和旋转运动，拴在聚合物上，实时跟踪(200纳秒分辨率)。DXT告知聚合物的固有自由度，并已应用于合成橡胶配方和一些蛋白质系统，包括膜蛋白，一类与许多疾病和条件有关的蛋白质。
相比之下，XFMS使用多色x射线源诱导聚合物的局部羟基自由基损伤。在水环境中，x射线产生短寿命(小于纳秒)的羟基自由基，与聚合物中的脂肪族氢发生特殊反应，形成独特的化学加成物，随后被高质量精度的质谱仪识别和绘制。对于自组装聚合物和生物聚合物，XFMS及时映射了残留对水分子的可及性，在腔内或界面上，瞬时暴露。X4SCM提案将DXT和XFMS添加到钻石用户计划中，为英国和欧盟科学界提供独特的实验能力。

新规则将从根本上决定材料工程的设计原则

供应链材料自组装的分子成分形成动态层次结构，部分有序的分子到微米尺度。所期望的机械、电气或光学对外部刺激的反应是宏观性质。这些是由化学成分、非共价和共价相互作用的网络以及组织的层次层次所产生的涌现性质。X4SCM最佳地利用了Diamond-II升级，提供了从分子到微米长度尺度的无缝图像，使英国科学界能够发现、理解和详细描述分子层次组装的规则。这些规则从根本上决定了材料工程的设计原则。
例如，X4SCM通过促进生物材料的广泛商业和医疗应用，对应对可再生资源方面的挑战至关重要。纤维素生物质的生产远远超过石油基聚合物的需求，然而，将纤维素原料广泛转化为可用的材料仍然是一个未实现的目标。Diamond-II升级和X4SCM将通过加强全英国的核心SCM研发集团，为英国开启一个具有竞争和经济优势的新时代。X4SCM的投资确保了英国国家同步加速器的世界级竞争力，并使SCM能够继续提高生活质量的各个方面。

有关Diamond-II X4SCM束线的更多信息，请联系:robert.rambo@diamond.ac.uk

参考文献

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2.韦德,j .;Hilfiker, j . n;布兰德,j . r .;Liiro-Peluso l;湾,l;施,x;萨勒诺,f;莱恩，S. T. J.;Schoche,美国; Arteaga, O.; Javorfi, T.; Siligardi, G.; Wang, C.; Amabilino, D. B.; Beton, P. H.; Campbell, A. J.; Fuchter, M. J., Natural optical activity as the origin of the large chiroptical properties in pi-conjugated polymer thin films. Nat Commun 2020, 11 (1), 6137.
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