科学家发明了一种新的X射线方法，不仅能探测材料内部的纳米级结构，还能看出这些结构的排列方向。这项技术对材料科学和医学诊断都有重要价值。
无论是牙齿的釉质还是硅基纳米材料，微小内部结构的排列方向往往决定了材料的性能。但现有的成像手段很难直接看清这些过于微小的结构。一支由Helmholtz Center Hereon领导的国际团队，最近开发出了一种全新的X射线方法，成功解决了这个难题。
牙釉质的定向暗场投影
传统医学X射线依靠人体对不同组织的衰减差异来成像。但更精细的检测需要用到暗场成像技术——X射线在穿过材料时，会在内部界面和缺陷处发生散射，这些散射信号揭示了常规图像中不可见的结构信息。不过，传统暗场成像只能告诉你"这里有没有结构"，却无法告诉你"这些结构是怎么排列的"。
现在，这个局限被打破了。
Hereon的研究员Sami Wirtensohn是这项研究的第一作者。他表示，新方法的核心是一个简单却巧妙的装置调整：在光路中增加额外的光阑，让样品依次从不同角度接受照射，然后通过组合多张图像来重建内部结构的空间取向信息。这个调整可以轻松适配现有设备，几乎不需要额外投入。
暗场及定向暗场透射X射线显微镜(TXM)装置示意图
团队在汉堡的DESY研究中心进行了实验验证，利用PETRA III储存环提供的高强度聚焦X射线，在Hereon负责的P05成像线站上测试了纳米多孔硅和人类牙齿釉质样本。
实验结果表明，即使牙釉质中的纳米晶体直径只有几十纳米，新方法也能成功测量出它们的取向。论文共同作者Silja Flenner博士解释说："我们不仅能检测到散射信号，还能判断出散射结构的方向。我们对30到70纳米尺度的结构尤其敏感，而这正是传统无损检测手段难以触及的范围。"
这项技术有着广泛的应用前景。在材料研究中，纳米结构的取向决定了材料的强度、导电性和耐久性，对多孔金属、功能纳米材料和电池研究都至关重要。在生物医学领域，它可以揭示牙齿釉质和骨骼在纳米尺度上的病理变化。对于正在研究水驱动材料的BlueMat卓越集群来说，这项新方法更是核心工具——水在材料中的分布和动态行为，很大程度上取决于纳米结构。
只有精确掌握纳米尺度的结构特性，才能真正实现对现代化学反应器的建模仿真和优化设计。
本文译自 Giving X-ray vision a sense of direction，由 BALI 编辑发布。