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研究背景

五氧化二钒（V₂O₅）是一种重要的功能材料，广泛应用于催化、能源存储与转换等领域，尤其在硫酸生产中的催化作用具有重要意义。与传统的催化材料相比，V₂O₅由于其优异的催化性能和成本效益，成为了重要的研究对象。然而，V₂O₅的性能在很大程度上依赖于其微观结构，特别是晶粒的分布、晶界的取向以及其中的缺陷结构。因此，如何在纳米尺度上精确地表征这些微观结构，仍然是提高V₂O₅及类似材料性能的重大挑战。

成果简介

为了解决这一问题，苏黎世联邦理工学院Andreas Apseros, Valerio Scagnoli，广岛大学Claire Donnelly等人合作在Nature期刊上发表了题为“X-ray linear dichroic tomography of crystallographic and topological defects”的最新论文。

该团队设计并采用了X射线线性二向色性取向层析（XL-DOT）技术，成功实现了对V₂O₅多晶样品在纳米尺度上的三维成分和微观结构映射。通过利用XL-DOT，该团队能够在非破坏性条件下，获得关于V₂O₅晶粒、晶界、拓扑缺陷等的详细信息，空间分辨率达73纳米。这一技术突破，显著提高了对材料微观结构的表征能力，尤其是在高温和操作条件下的研究。

该研究不仅实现了晶粒内外结构的三维表征，还揭示了由于体积晶体缺陷的存在，拓扑缺陷的动态变化过程。这一发现为研究人员提供了新的思路，帮助他们理解V₂O₅在催化反应中的微观机制，并为后续的材料设计与优化提供了理论依据。XL-DOT技术的应用，不仅提高了V₂O₅等多晶材料的性能，还为其他功能材料的研究开辟了新的技术路径。

研究亮点

（1）实验首次使用X射线线性二向色性取向层析（XL-DOT）技术，对多晶和非晶材料在三维空间内进行了纳米尺度的晶粒、晶界和拓扑缺陷的表征，获得了高分辨率的三维组成和微观结构映射。

（2）实验通过获取同步辐射X射线相干成像投影，结合定制的重建算法，成功地实现了对V₂O₅样品的晶体取向、晶粒划分及缺陷的精确表征，空间分辨率达到73纳米。通过该方法，能够观察到晶粒内外的微观结构特征，包括扭转、倾斜和孪晶边界，揭示了由体积晶体缺陷引发的拓扑缺陷的产生和消失。

（3）实验进一步通过对V₂O₅样品进行非破坏性、定量化的三维表征，揭示了样品在操作条件下的微观结构和晶体缺陷的动态行为，推动了材料在能源、机械和量子材料等领域的应用研究。

图文解读

图1：XL-DOT实验装置

图2：使用XL-DOT进行材料组成和微观结构的三维纳米尺度映射

图3：使用XL-DOT检测的晶体缺陷

图4：晶体体积和拓扑缺陷

结论展望

本文通过结合X射线线性二向色性显微成像（XL-DOT）与X射线相衬显微断层扫描（PXCT），开创了纳米尺度下材料微观结构与性能之间关系的研究新方法。该方法能够在不同外部刺激下（如压力、温度变化等）实时观察和映射材料的微结构演变，揭示微结构对材料性能的影响。特别地，利用同调X射线的优势，XL-DOT在未来有望实现更高的空间分辨率，甚至达到10纳米，进一步促进了对点缺陷、位错等微观缺陷的研究。

此外，本文的研究为操控材料微观结构、优化未来器件提供了重要的实验手段。通过更精确的三维成像技术，研究者可以深入理解材料内部的结构变化，指导新型材料的设计与应用，特别是在能源、电子器件等社会需求领域。随着同步辐射源的第四代技术进步，未来的操作性成像将能够实现更快的测量速度和更高的分辨率，为材料科学开辟了新的研究方向和应用前景。

文献信息

Apseros, A., Scagnoli, V., Holler, M. et al. X-ray linear dichroic tomography of crystallographic and topological defects. Nature 636, 354–360 (2024).

原创文章，作者：zhan1，如若转载，请注明来源华算科技，注明出处：https://www.v-suan.com/index.php/2024/12/18/ae0923cf17/

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