首台国产纳米晶体结构快速解析仪成功研制

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科技日报记者 叶青 通讯员 孔令竹

1月14日，由中国科学院广州地球化学研究所科研团队自主研发的首台国产纳米晶体结构快速解析仪正式发布。该仪器具备对纳米级晶体与矿物进行物相识别与结构测定的高通量快速分析能力，整体技术水平已与国际同类最新设备持平。

原子是构成物质世界的基本单元，其排列方式和相互作用决定了物质的性质。随着人类对深空、深地等未知世界和纳米功能材料等应用领域的探索，解析亚微米至纳米尺度物质的晶体结构已成为科学认知与高新技术发展的重要需求。

“传统单晶X射线衍射技术难以突破纳米尺度晶体的解析瓶颈，而依赖国外仪器与软件则伴随着高昂成本、操作复杂与算法受限等多重壁垒，导致我国在深地资源研究等战略领域长期受制于人。”团队负责人、中国科学院广州地球化学研究所研究员鲜海洋介绍。

5年前，鲜海洋牵头团队投入到纳米晶体结构快速解析仪的研发中。他们先后实现场发射电子枪及高压电源等核心部件的国产化，攻克高精度控制等核心技术，成功研制出首台国产纳米晶体结构快速解析仪。该仪器搭载团队自主开发的“连续倾转三维电子衍射采集与处理系统”，实现了从硬件到软件的全流程自主可控。

样品台是测量纳米级别样品的关键设备。“采集数据过程中，样品的漂移量范围必须非常小，否则将严重影响到测量结果。而纳米尺度的物体，极易产生漂移。我们经过反复的研究，不断地试错，最终做到把漂移量控制在200纳米以内。”鲜海洋说。

相比于传统X射线解析晶体至少需要半小时乃至几天的时间，该解析仪采集数据时间仅需数秒至数十秒，也就是说在一分钟内可采集到多个数据。

目前，该解析仪已成功应用于新矿物和深地矿物结构解析中。“利用该技术，团队已成功解析‘王焰钯矿’‘氧铅烧绿石’两种新矿物，并获得国际矿物学会批准命名。此外，还证实了早期地球深部水可赋存于布里奇曼石晶格中，相关成果发表于国际学术期刊《科学》。”鲜海洋表示，基于对轻元素敏感样品检测的优势，该解析仪在黏土矿物结构精修、陨石及深空探测微量样品分析、纳米功能材料高通量筛选，以及生物医药、结构化学等领域均展现出广阔应用前景。

该解析仪的成功研制，标志着我国在纳米晶体结构分析这一高端科学仪器领域实现了从长期依赖进口到自主可控的根本性跨越，将显著增强我国在材料科学、化学、地球与行星科学等基础研究领域的原始创新能力。

本研究获得中国科学院基础与交叉前沿科研先导专项（B类先导专项）的资助。