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研究背景

五氧化二釩（V₂O₅）是一種重要的功能材料，廣泛應用于催化、能源存儲與轉換等領域，尤其在硫酸生產中的催化作用具有重要意義。與傳統的催化材料相比，V₂O₅由于其優異的催化性能和成本效益，成為了重要的研究對象。然而，V₂O₅的性能在很大程度上依賴于其微觀結構，特別是晶粒的分布、晶界的取向以及其中的缺陷結構。因此，如何在納米尺度上精確地表征這些微觀結構，仍然是提高V₂O₅及類似材料性能的重大挑戰。

成果簡介

為了解決這一問題，蘇黎世聯邦理工學院Andreas Apseros, Valerio Scagnoli，廣島大學Claire Donnelly等人合作在Nature期刊上發表了題為“X-ray linear dichroic tomography of crystallographic and topological defects”的最新論文。

該團隊設計并采用了X射線線性二向色性取向層析（XL-DOT）技術，成功實現了對V₂O₅多晶樣品在納米尺度上的三維成分和微觀結構映射。通過利用XL-DOT，該團隊能夠在非破壞性條件下，獲得關于V₂O₅晶粒、晶界、拓撲缺陷等的詳細信息，空間分辨率達73納米。這一技術突破，顯著提高了對材料微觀結構的表征能力，尤其是在高溫和操作條件下的研究。

該研究不僅實現了晶粒內外結構的三維表征，還揭示了由于體積晶體缺陷的存在，拓撲缺陷的動態變化過程。這一發現為研究人員提供了新的思路，幫助他們理解V₂O₅在催化反應中的微觀機制，并為后續的材料設計與優化提供了理論依據。XL-DOT技術的應用，不僅提高了V₂O₅等多晶材料的性能，還為其他功能材料的研究開辟了新的技術路徑。

研究亮點

（1）實驗首次使用X射線線性二向色性取向層析（XL-DOT）技術，對多晶和非晶材料在三維空間內進行了納米尺度的晶粒、晶界和拓撲缺陷的表征，獲得了高分辨率的三維組成和微觀結構映射。

（2）實驗通過獲取同步輻射X射線相干成像投影，結合定制的重建算法，成功地實現了對V₂O₅樣品的晶體取向、晶粒劃分及缺陷的精確表征，空間分辨率達到73納米。通過該方法，能夠觀察到晶粒內外的微觀結構特征，包括扭轉、傾斜和孿晶邊界，揭示了由體積晶體缺陷引發的拓撲缺陷的產生和消失。

（3）實驗進一步通過對V₂O₅樣品進行非破壞性、定量化的三維表征，揭示了樣品在操作條件下的微觀結構和晶體缺陷的動態行為，推動了材料在能源、機械和量子材料等領域的應用研究。

圖文解讀

圖1：XL-DOT實驗裝置

圖2：使用XL-DOT進行材料組成和微觀結構的三維納米尺度映射

圖3：使用XL-DOT檢測的晶體缺陷

圖4：晶體體積和拓撲缺陷

結論展望

本文通過結合X射線線性二向色性顯微成像（XL-DOT）與X射線相襯顯微斷層掃描（PXCT），開創了納米尺度下材料微觀結構與性能之間關系的研究新方法。該方法能夠在不同外部刺激下（如壓力、溫度變化等）實時觀察和映射材料的微結構演變，揭示微結構對材料性能的影響。特別地，利用同調X射線的優勢，XL-DOT在未來有望實現更高的空間分辨率，甚至達到10納米，進一步促進了對點缺陷、位錯等微觀缺陷的研究。

此外，本文的研究為操控材料微觀結構、優化未來器件提供了重要的實驗手段。通過更精確的三維成像技術，研究者可以深入理解材料內部的結構變化，指導新型材料的設計與應用，特別是在能源、電子器件等社會需求領域。隨著同步輻射源的第四代技術進步，未來的操作性成像將能夠實現更快的測量速度和更高的分辨率，為材料科學開辟了新的研究方向和應用前景。

文獻信息

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

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