这个月，我们来看看戴蒙德的新成像和相干光束线是如何帮助科学家们比以往任何时候都看得更清楚的!我们会听到光束线如何工作以提供更高分辨率的成像，如何分析地球表面深处的岩石以寻找未来二氧化碳的潜在储存，以及如何对金属合金的内部结构进行成像以帮助更大规模地回收它们。此外，钻石的最新新闻和事件，包括新的令人大开眼界的角膜研究和病毒的家族史!
在这一集里
介绍成像和相干光束线
与格雷姆·莫里森，钻石光源
Meera -这个月我们将带你到同步加速器科学的前沿，因为我们探索钻石的成像和相干光束线，x射线将很快让科学家看到比以往任何时候都更清晰的东西。这条光束线将于10月投入使用，用于广泛的科学学科。Graham Morrison主持了光束线的用户会议组，他解释了为什么提供的成像如此独特。
格雷姆-有三种方法可以形成图像，x射线成像是我们的一项长期建立的技术，因为Röntgen在19世纪末发现了x射线。三种主要方法是;为了形成阴影投影，你知道，就像医院的放射图一样，你只需要让一束平行的x射线穿过样本，然后在特定的区域吸收——你会得到光明和黑暗的区域。一种更复杂的方法是使用某种形式的透镜和x射线，这已经是一个挑战，因为通过透镜的x射线很难制造。在光束路径上放置一个透镜，你可以有效地放大。你可以得到一个放大的物体的图像，而不是像投影那样得到一个真实大小的图像，一个一对一的图像。
第三种方法是最近几年新开发和探索的是一种被称为相干衍射成像的方法，本质上你不直接尝试形成图像，你记录的是物体的衍射模式然后使用计算机算法尝试从你记录的衍射数据中重建图像。现在因为它不涉及光束路径中的任何形式的透镜，这意味着你不会受到同样的限制，如果你使用透镜和透镜的技术能力。所以原则上，你可以从这些重建中得到更好的分辨率，但这确实取决于用于该过程的算法的可靠性。
Meera:那么后一种处理方法，使用衍射图案，这就是Diamond的新成像和相干光束线将采用的方法吗?
Graham:成像和相干分支既要做传统的成像，也要用相干衍射成像这种新方法。所以在波束线上有两个分支，一个分支，成像分支，显然会做阴影投影成像，这是一种非常直接的技术，可以产生非常有用的信息。它允许我们在大视野下观察样本，这意味着你可以看到毫米大小的物体。
Meera -但是这个新的光束线，它确实有两个分支，它有成像和相干性，相干性方面有什么不同或独特的地方。
格雷姆-相干衍射成像分支，如果你能成功地记录衍射模式，然后使用这些计算机算法来重建图像，那将使你的图像缩小到5纳米左右，这比任何聚焦光学设备都要高得多。再一次，它允许你处理一个新的样本范围，或者得到你关于样本的信息，这是目前不容易实现的。但传统上直到现在，直到最近，这都是有限的，但是最近几年发展起来的一种新方法，被称为Ptychography，主要是由谢菲尔德大学的John Rodenburg开发的，它允许相干衍射法扩展到观察更大范围的样品其想法是，你照亮，在样品上产生一个x射线点，你记录下那个区域的衍射图然后你把这个点放在样品上这样每个连续的衍射图都来自样品的重叠区域。事实证明，如果你这样做了，那么从衍射图重建图像数据的方法就会工作得更好，并且更快地收敛到一个可靠的答案。这样你就可以在没有透镜的情况下以非常高的分辨率对样本进行成像还可以观察样本的扩展区域。因此，我认为这种方法在相干衍射成像光束线上的应用将是一个非常重要的发展。
Meera -那你怎么总结一下这条新光束线的主要好处，以及它有两条线的事实?
Graeme -从某种意义上说，它涵盖了如此广泛的长度尺度，从毫米尺度的投影技术，一直到纳米尺度的相干衍射，以及成像和平面摄影，因此，它也将涵盖从工程材料到纳米材料的各种不同类型的样品。我认为它实际上是一条对所有用户都有吸引力的光束线。
Meera - Graeme Morrison, Diamond成像和相干光束线用户工作组主席。
成像和相干光束线的定位
钻石光源的Christoph Rau
Christoph:我们在I13光束线进行成像和相干，目的是在微观和纳米尺度上进行成像。
米拉-所以我们现在就在钻石的户外场地上，同步加速器离我们很远。我们能看到它，所以我们现在在150米左右的距离。所以这条光束线本身是很独特的因为它位于光源之外，在这个距离，而那边的小屋大约250米?
克里斯托夫:没错。这样做的原因是我们想要利用光的相干性要做到这一点，你必须有a.)一个非常小的光源b.)距离很远才能有一个很大的横向相干场这就是为什么我们在这么远的地方。
米拉-你说的连贯性是什么意思?
Christoph -相干性是光的一种特性。光可能有不同的特性，一个是作为光粒子的特性，或者光可以被认为是光波，在这种情况下，我们谈论相干光。
米拉:你说的相干光，是指光的波形，而不是粒子?
Christoph -正确
米拉——一束光是如何保持在这么远的距离的?所以我们现在大概在光源和光束箱的中间，所以我们大概有150米，也许125米远。我们站在混凝土上面，在我们下面，在混凝土里面，是光束将在其中传播的管道。在管子的两端发生了什么来保持光的直线传播?
Christoph——好吧,所以一开始我们有波纹机的光源和每个波纹机产生的x射线和斜交彼此在一个轻微的角度,进一步传播beamline,他们得到分离和增加进一步分离我们放一些镜子的开头beamline结束时,我们现在站在这里,我们有大约4米之间的分离两个不同的分支。
米拉:所以你有两束光从光源照射过来?
克里斯托夫:没错
米拉:所以如果我们现在进入实际的舱室，看看在这条光束线上可以进行的研究类型。在这个光束线上有2个舱室;成像和相干。我们已经讲过了成像，但是这里会发生什么样的成像呢?
克里斯托夫:那么在这个分支上，我们现在有部分相干光到达样品上，当光穿过样品时，光波发生了变形，在结构的边缘周围，结构被增强了，光波发生了变形，然后你可以很容易地用探测器检测到这些增强的结构。
米拉:所以你能很清楚地看到样品的边缘和形状和结构?
Christoph:没错，这就是所谓的“边缘增强”。
Meera -什么样的样品会被这样看待?
克里斯托夫-基本上任何一种对眼睛来说不透明的样品，在微长度尺度上有有趣的特征。应用在生物领域，例如，材料科学，地质学，有非常大的应用范围
米拉:这与其他成像技术相比如何，甚至与医院使用的成像技术相比，比如简单的x光成像?
Christoph -最大的区别是你能达到的决心。例如，在医院里，医生感兴趣的是了解骨头是否断了，而在这里，我们感兴趣的是“为什么骨头断了?”，“这背后的机制是什么?”，“你怎样才能改善机械性能?”等等。
米拉:这是成像舱，但你提到这条特殊的光束线有两个分支，也是一个相干分支，离她大约4-5米远，但在另一个舱里。将会进行什么样的工作，在那里会看到什么?
克里斯托夫:例如，在成像分支上，我们将研究生物医学应用和材料科学，所以我们有兴趣了解，例如，材料的裂缝——这对工业应用非常重要，或者对生物医学应用我个人感兴趣的是听力。我们将研究耳蜗内部发生的机制。
Meera - Christoph Rau, Diamond成像和相干光束线的首席光束线科学家。
钻石资讯更新
钻石光源的Sarah Boundy
Meera -让我们和来自钻石通讯团队的Sarah Boundy一起了解来自光源的最新消息，从一些令人大开眼界的研究开始……
萨拉:是的，一个小组一直在研究周围角膜的微观结构。角膜是眼睛的外部晶状体，它负责将入射光折射到它后面的晶状体上，而晶状体又将光线聚焦到视网膜上。为了发挥作用，角膜需要对可见光透明，它还必须具有高机械强度和精确定义的曲率以聚焦。这项研究是由卡迪夫大学的一个研究小组进行的，他们使用了戴蒙德的非晶体衍射光束线I22，以及法国格勒诺布尔的ESRF。研究结果最近发表在《生物物理杂志》上。
米拉-科学家们在调查什么?
萨拉:他们知道角膜90%的厚度是由基质构成的，基质是一种很厚的透明层，主要由胶原原纤维组成。因此，角膜的形状被认为受到基质和周围组织中胶原原纤维排列的强烈影响，这是了解角膜疾病和手术如何影响视力的关键
米拉:所以我想通过对结构有一个很好的了解，你可以看到疾病是如何损害它的，当你用手术重建它的时候，你可以更好地了解你在做什么。
萨拉:没错。结果表明，角膜中心的原纤维直径是恒定的，但向角膜外围移动时，原纤维直径迅速增加。这可能是理解角膜对周围切口手术反应的一个重要事实，比如白内障手术。所以其中一个副作用和并发症是散光，这项研究将有助于解释临床医生观察到的散光变化的程度取决于切割的位置。
Meera:我想这在角膜手术后也很有用。除了眼睛，这里的科学家也在研究病毒。
Sarah:是的，一个研究小组使用了一种大分子晶体学光束线I03来研究病毒的起源。这是牛津大学人类遗传学欢迎中心进行的一项研究，最近发表在《结构》杂志上。就像人类有祖先一样，病毒也有。因此，该小组目前正致力于通过解决病毒蛋白质的3D结构，拼凑出一份完整的病毒历史。
米拉:那么目前对病毒结构还有很多不了解的地方吗?
Sarah -病毒是非常大的，复杂的结构，所以要花很多时间和精力来解决它们所涉及的蛋白质结构。
米拉-他们目前在研究哪些病毒?
Sarah:嗯，这个小组已经成功地解决了痘苗病毒D13蛋白的3D结构，痘苗病毒是痘病毒家族的一员。这种蛋白质是一种支架蛋白它的颗粒，或病毒，呈球形当病毒开始形成时在D13丢失之前病毒呈现出更像砖块的形状。这是他们第一次能够确定蛋白质D13的结构。
米拉-为什么了解这种特殊的病毒结构很有用?
萨拉:嗯，他们发现它有一个非常独特的形状，这种形状也存在于大型DNA病毒中，比如人类腺病毒，它是呼吸道和眼睛感染的原因。因此，通过比较不同病毒支架蛋白的结构相似性，他们可以确定牛痘病毒的谱系，并将其置于病毒家谱中。
Meera -我猜了解结构的一个应用可能是想出更好的治疗方法或抗病毒药物?
萨拉:没错。知道一个特定的有机体是谁或什么东西的后裔，可以告诉我们很多关于它如何运作的信息。所以在病毒的案例中，这种知识可以帮助我们确定治疗它们的新方法。我们可以为患有某种病毒的病人寻找药物，就像我们使用抗生素治疗多种细菌感染一样。
米拉:所以每次治疗一个家族的病毒，而不是治疗特定的病毒?
莎拉-没错。
米拉:那戴蒙德的内部消息呢?
萨拉:我们现在有了2011年夏季版的《钻石新闻》，这是我们一年两期的时事通讯。这篇文章着眼于利用利他细菌的研究，可持续存储解决方案的金属有机框架，以及使科学家能够在不使用色素的情况下生产颜色的可调聚合物。这里也有一些博士生的总结，还有一些设备的更新，所以有很多事情要做。副本可从钻石网站获得。
除了新闻更新，你们在网上也有更多的多媒体内容?
萨拉:是的，我们一直在制作一些新的视频内容。你可以在我们的网站教育页面上看到第一部分，我们称之为“我们都是科学家”。它的特色片段是科学家和工程师谈论他们对科学着迷的地方，他们对钻石同步加速器的看法，以及为什么它对他们很重要。
合金的结构
Peter Lee，曼彻斯特大学
Meera -现在我们有请曼彻斯特大学的Peter Lee教授，他希望利用Diamond来澄清金属合金的结构。
Peter -我研究金属的凝固，金属的加工以及其他材料。在这个过程中，会发生各种各样的动力学反应，形成微观结构。所以任何合金的强度不仅仅在于它的成分，而是这种成分使它形成小晶体，不同的相，而这些相，通常是纳米结构。因此，加强从10纳米的尺度开始，你有小的沉淀物固定在合金中，纳米增强剂已经使用了103年，然后发展到微米的尺度，然后到结构和毫米的尺度。我使用Diamond是为了研究这些结构的不同相的组成、形态和相互作用。
米拉:那你关注的是什么合金?
彼得:我研究的主要材料之一是铝合金。这些合金用于从汽车到航空航天部件的所有领域。这些合金在高性能应用中的大部分一直使用原铝。他们使用原铝而不是二次铝或再生铝的原因是，当我们回收铝时，我们几乎像人们一样，在各种不同的陈旧成分中滑动。当你拆解和回收一辆汽车时，它也会出现，很简单，你最终会得到螺母和螺栓，它们几乎都是钢的。然后我们重新熔化它，合金中的铁浓度上升。加入铁的浓度，一旦超过0.5%的重量，就会开始产生另一个相，当它很细的时候可以增强，但当它很大的时候实际上会对性能有害。它形成了一个高度雕琢的相位，它有平坦的平面边缘，所以它就像一个钻石，但是它形成的相位，不是像钻石一样，也不是很结实，而是细长的，或者像针一样。现在想象一下材料内部非常尖尖的结构，它们就像应力集中器一样，所以它们实际上会变形，造成损伤，导致早期失效。
Meera -现在知道了这些信息，你是否想看看有什么可能使回收铝更受欢迎?
彼得:没错。这些结构从纳米级开始，当它们是纳米级时，它们是有益的。当你开始增加铁含量时，它们实际上可以长到200微米，几乎是一毫米长，当有这些长而锋利的碎片时，它们可能是有害的。我们使用金刚石的目的是为了确定我们如何改变成分，通过添加一小部分不同的合金成分或添加异质核将这些结构从几个大结构转变为许多非常精细的结构并将有害的东西转化为合金中实际上有益的东西。如果我们能做到这一点，我们就能使回收的合金和原铝合金一样有用。
米拉-这是个多大的挑战?你需要做些什么才能进入那里打破那些长碎片并增加那里的力量?
彼得:这是一个巨大的挑战。这些合金有6到8种不同的成分。这些成分的重量百分比各不相同，从百万分之几，到百万分之1000。如果你现在想象一种组合实验，你用8种不同的成分从百万分之一到百万分之几千，很快你就会发现实际上你可以用不同的成分做数十亿个实验。我们使用戴蒙德的目的，是直接观察动力学来确定哪些是临界现象。这是一个真正的挑战，因为我们预测的一些事情似乎是可能的，在熔融铝中并不稳定。熔化的铝有很强的能力溶解很多很多东西。你还必须能够使这些粒子的尺寸非常小，并使它们进入熔融体，这意味着你需要能够使它们完全被铝所引导。所以，我们面临着很多挑战，有很多伟大的科学需要继续研究。
Meera -但是使用越来越多的再生铝合金而不是原始来源的好处是什么?
彼得:使用再生铝的巨大好处是，当你制造第一个原始铝时，它来自于挖掘铝土矿，将铝土矿还原成氧化铝。然后把氧化铝，基本上是一个铝原子变成两个氧原子，然后还原。当你这样做的时候，每个氧原子都转化成一个二氧化碳原子。你也在消耗大量的能量。这就意味着每生产一公斤原铝会产生7到10公斤的二氧化碳。当你回收它的时候，你只是重新融化和净化它。一般来说，使用不到0.5公斤，或1/20所释放的二氧化碳。也就是说，如果我们能够将世界上5%的原铝生产转化为二次铝，并将其用于高附加值的新应用，这意味着我们每年可以节省1500万吨二氧化碳。
Meera -只需了解金属合金的内部结构和化学性质，就可以节省很多钱。这是曼彻斯特大学的Peter Lee教授。
碳封存的挑战
与伦敦帝国理工学院的马丁·布朗特合作
米拉:现在让我们来探索一个研究领域，它可能对我们对抗气候变化至关重要，那就是碳封存。这项技术希望从发电站捕获二氧化碳，将其压缩成液体，并将其储存在地球表面深处。如果被证明是可行的，估计这项技术可以用来储存我们总二氧化碳排放量的五分之一。伦敦帝国理工学院的马丁·布朗特教授一直在研究将这些排放物注入地下的挑战……
马丁:我们的大部分研究都与碳捕获和储存有关，因为二氧化碳是从燃烧化石燃料的发电站分离出来的，经过压缩，运输，通常是通过管道，然后注入到地下深处，而注入和地下深处的二氧化碳发生了什么是我们研究的重点。
Meera:向地下深处注入液态二氧化碳有哪些挑战?
马丁:压力非常高，所以它像液体一样，我们注入的是多孔岩石。我拿到了一个碳酸盐岩的样本。二氧化碳被注入到微小的微米尺度的岩石孔隙中，这些孔隙最初含有盐水。岩石里充满了盐水，我们注入二氧化碳。这是我们发现石油和天然气的相同类型的岩石，事实上，我们也可以将二氧化碳储存在枯竭的石油和天然气中。我们主要关心的是当我们注入二氧化碳时，我们如何确保它留在地下，不会逃逸到地表?所以我们所关注的是当我们注入二氧化碳时会发生什么，它会留在地下吗?
米拉:你拿的这个岩石模型，是碳酸钙吗?它是一个相当小的圆柱体，大概10厘米长，但为什么是这块石头呢?
马丁:我们在两种主要岩石中发现了石油和天然气，也在含水层中发现了二氧化碳的主要储存，基本上是碳酸盐，碳酸钙，贝壳的残骸被碾碎，经过数百万年的化学变化，砂岩主要是二氧化硅。
米拉:你提到人们心中的一个关键挑战或问题是，一旦这些二氧化碳进入地下，它们是否会留在地下，那么你是如何着手调查它会在地下停留多久，或者它是否会稳定?
马丁:我们已经在微米尺度上观察了岩石孔隙空间中的二氧化碳。这就是我们用戴蒙德的原因。这里是我们用来研究的特殊流动池。我们要做的是取一个很小的岩石样本，我现在看的是一块大约5毫米宽的岩石，大约1厘米/1.5厘米长。
米拉-所以这是你之前气缸的微缩版?
马丁:是的，我们不仅要对岩石进行成像，还要对流体进行成像，这个装置的新颖之处在于，我们可以对储层温度和压力下的流体进行成像。温度大约是50°C，压强大约是大气压强的100倍。
米拉:这一定很难模拟吧?
马丁:是的，我们要做的就是取一小块岩石，把它紧紧地包裹在一个套筒里，然后在高压下注入液体。我们如何控制这一切?我们要做的是在高温高压下用另一层水包裹，然后用碳纤维包裹。碳纤维非常坚固、薄，而且x射线透明。
米拉:看看这个模型，你有一个长长的碳纤维管，里面放着你的样品，两端是钢，更大的圆柱体，它们起什么作用?他们提供了吗，因为他们看起来有联系
马丁:哦，是的，就是这样。所以中间的那块，碳纤维，是x射线进入的地方，最后的钢基本上是我们注入液体的端口。
米拉:这就是你带到戴蒙德去直接拍照的东西吗?
马丁:没错。
米拉-那你看到了什么?你有了这些小的岩石样本，你向它们注入了不同数量的二氧化碳，你能拍出什么图像?
马丁:好的，我们可以在电脑屏幕上看到，这是一个砂岩的例子，我们在其中加入了盐水，注入了二氧化碳，所以我们只需要观察孔隙空间中的二氧化碳就可以区分出颗粒，盐水和二氧化碳。我们发现，CO22倾向于进入孔隙空间的中心，盐水附着在角落、裂缝和小孔隙的狭窄角落里，原因是水喜欢岩石。实际上，岩石会像海绵一样吸收水分，二氧化碳对岩石没有这样的亲和力，倾向于在宽阔的孔隙空间中。
米拉:但是通过你的成像，你看到的是你把盐水，这些水排出，二氧化碳被储存在里面，然后水又回来了。
马丁:没错。所以我们注入二氧化碳，二氧化碳进去了，它能逸出吗?二氧化碳的密度没有水大，所以它会向上移动。当它向上移动时，它从毛孔中移动，什么移动进来?-盐水。盐水，就像我说过的，就像狭窄的孔隙空间，它填满了小的孔隙，角落和缝隙，它把二氧化碳留在大的孔隙里它包围着二氧化碳所以就有了气泡，孔隙空间10微米到1毫米大小的二氧化碳簇被盐水包围然后你可以随意推多少盐水，二氧化碳不会移动。它哪儿也去不了。这就是我们可以直接在这些图像上看到的，你可以看到这些被困住的二氧化碳簇。钻石的美妙之处在于我们不仅有二维的图像，我们可以用三维的图像我们可以看到三维的簇但是它们占据了大约四分之一的孔隙空间。所以，当二氧化碳移动时，它会在大约四分之一的孔隙空间中留下被困住的二氧化碳的踪迹。 That CO2 can’t really escape because it leaves so much behind
米拉:我想另一个挑战是，你无法在接下来的1000年里看到这一点，所以尽管你知道二氧化碳以这种方式被困住了，你怎么能保证它保持这种状态呢?
马丁:我们能做的就是注入大量的盐水。我们不能等上几千年，但我们可以注入大量的盐水，这相当于等了那么久。这相当于等待几百到几千年的盐水。事实上，我们在这个实验中已经做到了，似乎什么也没有发生。
米拉:这件事的时间尺度是什么?二氧化碳注入的速率，盐水自然进入的速率?
马丁:典型的2-3吉瓦燃煤发电站每年将产生大约900万吨二氧化碳。把它埋在地下30年，可能会产生数十公里长的二氧化碳羽流。我们能做的是从含水层中提取盐水，然后重新注入，以加强运动，以捕获二氧化碳，设计将在4-5年内，你将捕获几乎所有的二氧化碳。你可以放心地离开那个地方，确信二氧化碳是安全储存的。在数百到数千年的时间里，二氧化碳会慢慢溶解，但当它溶解在盐水中时，富含二氧化碳的盐水密度更大，它会沉入含水层。所以一开始它在地下一千米，它会越来越深。也许在几千到几百万年的时间里，二氧化碳可能会与岩石发生反应，形成固体碳酸盐。我们展示的是它被困住，然后溶解，然后反应。所以它变得越来越安全，随着时间的推移，它逃逸的可能性越来越小。
- 以前的现代医学正在影响人类基因库吗?
- 下一个用电脑游戏解决科学问题
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