要制造更好的電池，你可以從改進內(nèi)部材料開始。研究人員通常首先使用同步加速器發(fā)出的高能 X 射線檢查新材料和化學(xué)品。但這是一個緩慢而乏味的過程。最近出現(xiàn)了一種令人驚訝的加速方法——砂紙（sandpaper）。

「主要動機實際上是試圖克服傳統(tǒng)化學(xué)成像方法的局限性。」該研究的研究人員之一、香港城市大學(xué)工程師 Jizhou Li 說。

砂紙插入 X 射線束的路徑，擾亂其在所研究的材料上投射的照明圖案。X 射線穿過樣品后，機器學(xué)習(xí)模型使用砂紙擾亂的圖案和生成的圖像來重建樣品的化學(xué)結(jié)構(gòu)。這種砂紙增強的設(shè)置可以讓研究人員更快地獲得有價值的化學(xué)分辨率。

該研究以《Nanoscale chemical imaging with structured X-ray illumination》為題，于 2023 年 11 月 28 日發(fā)表在《PNAS》上。并將代碼發(fā)布到 GitHub。

論文鏈接：https://www.pnas.org/doi/10.1073/pnas.2314542120

GitHub 地址：https://github.com/YijinLiu-Lab/NxSCI

雙管齊下

Li 和他的同事在位于加利福尼亞州門洛帕克的 SLAC 國家加速器實驗室的 SSRL 同步加速器中使用 X 射線束。他們收集了兩種類型的成像數(shù)據(jù)：一個電荷耦合器件探測器從穿過它的 X 射線中捕獲樣品結(jié)構(gòu)的二維圖像，另一個探測器測量樣品的熒光——被光束激發(fā)的原子發(fā)出的二手 X 射線。

這種雙管齊下的方法在 X 射線成像中相當(dāng)常見。研究人員可以利用樣品的熒光信號來探測樣品內(nèi)的化學(xué)元素。但由于熒光信號只有一維，而不是圖像的二維，因此收集熒光信號可能會很慢且效率低下。例如，假設(shè)您想要使用 X 射線重建樣品的化學(xué)成分以形成 2D 圖像。您可能必須逐點單獨聚焦 X 射線束，或在樣品上進行光柵掃描。

Li ?的團隊發(fā)現(xiàn)砂紙可以解決這種減速問題。研究人員通過在 X 射線源和樣品之間滑動兩個砂紙擴散器來修改光束設(shè)置。砂紙的砂粒將 X 射線束變成星云狀的 X 射線涂片。

那么，該設(shè)置計算方面的第一步是建立對涂抹圖案應(yīng)該是什么的逐像素估計。然后拍攝樣品的 2D 涂片 X 射線圖像以及一維熒光信號，無需光柵化。毫不夸張地說，下一階段就是自監(jiān)督機器學(xué)習(xí)的出現(xiàn)。研究人員將二維圖像、砂紙擾亂的照明圖案和一維熒光信號輸入神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)。然后，網(wǎng)絡(luò)預(yù)測每個像素的熒光信號，以生成圖像中元素成分的圖。研究人員將這一過程與增強合影中模糊面孔的過程進行了比較。

查看電池化學(xué)成分等

砂紙是他們算法的關(guān)鍵部分。為了拼湊化學(xué)圖像，機器學(xué)習(xí)模型依賴于砂紙在樣品上投射的偽隨機圖案來創(chuàng)建所謂的結(jié)構(gòu)化 X 射線?！肝覀兛梢岳秒S機性，」Li 說。通過交換具有不同粒度的砂紙的不同幻燈片，研究人員可以創(chuàng)建不同的照明模式并對同一樣本進行多次成像。

Li 和他的同事在電池樣本上測試了該技術(shù)。該電池的陰極是三種不同含鋰材料的混合物。但砂紙技巧卻挑出了這三者中每一個的納米級顆粒。

Li 說，他之前研究電池的經(jīng)驗促使研究人員使用電池來進行概念驗證。他認為該技術(shù)不僅可以識別出元素，還可以識別出它們的氧化態(tài)，這使其成為電池成像的最佳選擇。他補充說，該技術(shù)還有很多其他用途：例如，生物醫(yī)學(xué)研究，使用同步加速器 X 射線對細胞、組織等進行成像。

結(jié)構(gòu)化 X 射線方法是研究人員如何應(yīng)用計算來創(chuàng)建更好的成像的一個例子，而無需顯著改變生成 X 射線的龐大且昂貴的底層基礎(chǔ)設(shè)施。Li 希望通過使用實驗室規(guī)模的 X 射線源而不是 SLAC 等罕見的明亮同步加速器來測試該技術(shù)，從而使科學(xué)家更容易使用該技術(shù)。

「現(xiàn)在，我們在同步加速器環(huán)境中實現(xiàn)了它，因為同步加速器光非常強大，」Li 說。「原則上，這種裝置也可以應(yīng)用于實驗室 X 射線源?！?/span>