高速X射线激光器揭示了小分子的秘密晶体结构

现在，科学家们在他们的工具带中有了一个新的工具：一个用来自X射线自由电子激光器(XFEL)的超快脉冲调查数以千计的微晶体的系统，它可以在损害发生之前收集结构信息。这种方法在过去十年中被开发出来，用于在能源部的SLAC国家加速器实验室研究蛋白质和其他大型生物分子，现在首次被应用于化学和材料科学感兴趣的小分子。

来自康涅狄格大学、SLAC、能源部劳伦斯伯克利国家实验室和其他机构的研究人员开发了这种被称为小分子系列飞秒X射线晶体学(smSFX)的新工艺，其可以用于确定形成微晶粉末的三种化合物的结构--包括两种以前未知的化合物。

研究小组在1月19日发表在《自然》上的一篇论文中写道，由于这种新方法应该"广泛适用于配备了串行结晶学的XFEL和同步辐射设施，所以它可能会产生很大的影响。

解除金属化合物的束缚

研究人员首次使用该方法确定了两种金属有机材料的结构，即thiorene和tethrene。这两种材料都是用于下一代场效应晶体管、储能装置及太阳能电池和面板的潜在候选材料。绘制thiorene和tethrene图使研究人员能够更好地理解其他一些金属有机材料在紫外线下会发出明亮蓝光的原因，科学家们将其比作《指环王》中弗罗多的魔法剑--Sting。

“确定材料的晶体结构是将它们落实到设备中并考虑工程应用的起点，”来自康涅狄格大学的研究员和论文共同作者Elyse Schriber说道。

伯克利实验室的计算机科学家Nicholas Sauter指出，然而许多材料拒绝被形成标准X射线晶体学所需的大晶体，“大多数物质反而形成了粉末，其X射线衍射图案更难解开。”

LCLS主管Mike Dunne表示，用smSFX解决晶体结构可以加速其他微晶体结构的建模，并能带来发现用于分子机器、电池的磨损机制和燃料的新材料。“这是一项令人兴奋的研究，将LCLS带入一个新的方向。这种类型的交叉科学利用生物科学的进展进入其他领域如先进材料科学则是我们能源部用户设施如何将研究界的不同领域结合起来的一个很好的例子。”

Schriber表示，每个新的晶体结构都被上传到剑桥大学主持的全球晶体学数据库，科学家们可以用它来测试理论并帮助寻找对特定任务有用的化合物。她称，在其他晶体图谱方法中，研究人员通常会在一组晶体中挑选出最好的晶体进行建模，而通过使用smSFX，他们能在整个晶体组中获得更全面的视图，“因此它是一个材料外观的更好模型”。

“鸭子酱”

实验并没有完全按计划进行，但一点小小的创意挽救了这一切。在XFEL系列晶体学调查中，微晶体必须通过一个液体样品输送系统被输送到X射线束中。研究人员试图用甲醇来运送微晶体，但发现它跟液体样品流经的喷嘴上的环氧树脂不相容。在某些情况下，它融化了喷嘴。

而令他们倍感压力的是，他们知道他们不能用水来输送他们的微晶体，因为他们的晶体有蜡质有机成分使它们具有疏水性。水会堵塞系统并使晶体粘在输送系统管道的两侧。

在束手无策的情况下，该团队想起了洗碗剂曾被用于石油泄漏的补救场景。他们迅速搜索并找到了一瓶洗涤剂，将其跟水混合，他们将这种组合称为“鸭子酱”并将这种混合物送入输送系统。

“我这辈子都没想过我会为洗洁精唱赞歌，但它对我们的材料来说是一个神奇的悬挂物。如果我们没有使用洗涤剂-水的混合物，我们就根本无法完成我们的实验，”Schriber说道。

脆弱晶体的未来

至于下一步，研究人员希望绘制大量材料的晶体结构图，因为“其中任何一种材料都可能具有我们不知道的令人难以置信的特性，”Schriber说道，“突然有了一个结构，就有了预测许多其他材料特性的机会。”

研究小组还表示，XFEL-smSFX过程可能会变得更快，进而发现大量的未知晶体结构，他们正在努力简化该方法。