米乐m6官方网站 “成功以皮米精度跟踪晶格的运动！”

到目前为止，多晶材料的结构是通过使用 X 射线衍射测量检查数百万颗粒聚集体的平均性质来确定的。然而，目前还无法直接观察微晶颗粒在发挥作用时与局部环境、界面结构和结构特征相关的“运动”。

东京大学前沿科学研究生院AIST/东京大学先进操作数测量技术开放创新实验室（AIST-东京大学 OIL，注 4）、亮光科学研究中心课题组大型同步辐射装置SPring-8 BL39XU（注5）中，使用衍射X射线闪烁法，我们成功测量了在X射线光化学反应过程中快速变化的卤化银的超精细结构以及所产生的金属银晶体的单个颗粒的动态变化（动力学）。从卤化银和金属银的时间分辨X射线衍射图像中，我们发现X射线衍射亮点的移动代表了单个晶粒的倾斜（倾斜）和旋转运动，以及晶格结构的变化。我们独立设计了反映这些物理特征的衍射强度的时间变化单像素自相关函数（sp-ACF，注释 6）进行粒子运动分析时，我们检测到热处理前后卤化银和金属银之间的运动存在明显差异。我们已经实现了一种新的测量方法来表征多晶材料的局部结构动力学。

此研究成果将发表在自然出版集团电子期刊《科学报告”于3月5日在网络突发新闻版中在线发布。

多晶材料的结构已通过X射线衍射测量作为数百万颗粒的聚集体进行研究，但该方法无法研究动态信息，例如单个晶体颗粒的动力学以及与材料局部环境、界面结构和由结构特征引起的功能表达相关的晶格结构的变化。因此，2018年，我们课题组开发了衍射X射线闪烁（DXB）方法，并成功检测到单个蛋白质分子内的微小运动变化（图1）。

迄今为止，DXB方法仅应用于生物分子，但在这项研究中，我们首次揭示了它可以应用于无机分子多晶材料。通过 DXB 测量，无需标记即可获得材料在表达功能时发生的动态结构变化。这次，我们将 X 射线聚焦到微米尺寸，并在 50 毫秒内对热处理前后单个卤化银颗粒（直径约 100 nm）的动力学进行了时间分辨。当我们在这种状态下进行DXB测量时，我们能够观察到光化学反应产生的卤化银和金属银的衍射亮点的闪烁。

对这种闪烁现象进行详细分析发现，沿θ方向移动的衍射亮点代表晶粒的倾斜（下落）运动，沿χ方向移动的衍射亮点代表晶粒的旋转运动（图2（a））。这不仅在卤化银中观察到，而且在产品金属银中也观察到。此外，在金属银中，德拜谢乐环（注 7）外部观察到了这种现象，发现这是晶粒发生晶格结构变形并伴随倾斜（落下）和旋转运动的现象（图2（b））。当我们通过应用独特设计的1像素自相关分析方法来评估反映这些物理特性的衍射强度变化时，我们发现卤化银和金属银在热处理前后表现出完全不同的动态（图2（c）（d））。此外，还发现该动态特性表现出卤化银和金属银之间的相关性，并且认为反映在所生成的金属银的形状特征和颗粒聚集体的空隙状态中。另外，当我们估计旋转扩散系数时，它是01~03pm²/秒规模的超微小变化，这是单个原子大小的十分之一。

近年来，许多晶态材料体系获得了诺贝尔奖。例如，导电聚合物（2000）、石墨烯（2010）、准晶体（2011）、蓝光发光二极管（2014）、分子机器（2016）、锂二次电池（2019）等。在这些材料中，晶态的微小结构变化与功能表达密切相关。为了优化设计这些材料以最大化其功能，人们认为不仅稳定的结构特征而且动态信息都是关键，但这仍然是一个尚未被充分理解的科学领域。通过使用DXB方法，可以实现原子级的空间分辨率、毫秒至微秒级的高速测量以及无需标记的晶体材料的单粒子动力学测量，有望获得这些晶体系统的动态信息，并有望进一步提高发光二极管和二次电池的效率。

此外，DXB 方法不仅可用于使用大型同步加速器辐射设施的 X 射线进行测量，还可以用于使用小型实验室级 X 射线光源进行测量。通过使用紧凑的X射线光源，可以进行满足各种需求的测量，例如无损伤测量、长期测量以及测量条件和样品选择等筛选测量。未来，我们将继续开发能够常规测量各种晶体材料系统的温度、电压和压力等物理响应的技术，并为称为“晶体动力学”的新材料设计提供指导。

该研究成果发表在自然出版集团电子期刊《科学报告”于3月5日在线突发新闻版发布。这项研究得到了日本学术振兴会创新领域“3D活性位点科学”研究（No26105005）、新学术领域“软晶体”研究（20H04660）和创新领域“分子污染化学”研究（20H04696）的支持。

Yuji Sasaki（东京大学前沿科学研究生院材料科学系教授/
米乐m6官方网站、产业技术综合研究所、东京大学、先进操作数测量技术开放创新实验室、特别研究员）
Masahiro Kuramochi（东京大学前沿科学研究生院材料科学系助理教授/
米乐m6官方网站、AIST/东京大学、先进操作数测量技术开放创新实验室、生物分子动力学团队）

杂志名称：科学报告（3 月 5 日发布的在线版本）
论文标题：衍射 X 射线闪烁的卤化银晶体的倾斜和旋转运动
作者：仓持正宏^1,2,*，大俣弘树^1,2，石原正树^1,2，桑德Ø。汉斯林¹，水卷正一郎³，河村直美³，大泽仁³，铃木元博³，澪一宏²，关口宏³，和佐佐木裕二^1,2,3,*
1东京大学前沿科学研究生院材料科学系²AIST/东京大学先进操作数测量技术开放创新实验室，³强光科学研究中心，^*通讯作者
DOI：101038/s41598-021-83320-y

（注1）卤化银

卤化银。金属银是通过X射线等高能光照射引起的化学反应形成的。用于照相胶片等。本研究采用真空加热蒸发法制备了溴化银（AgBr）和氯化银（AgCl）薄膜样品。[返回来源]

(注2)金属银晶格结构的变化

由规则排列的原子和分子形成的晶格可能会因光化学反应而发生晶格结构变化。这是因为金属银原子聚集在卤化银颗粒内形成新的纳米颗粒，并且被认为是由于新形成的金属银颗粒的晶格结构的不稳定性。[返回来源]

（注 3）衍射 X 射线闪烁 (DXB)

使用单色X射线的分子动力学测量方法。这是唯一一种使用量子束的单分子测量方法，可以进行操作测量（一种允许在设备运行时进行测量的测量方法）。此前，目标蛋白质分子被数十纳米大小的金纳米晶体化学标记，并获得了与纳米晶体运动相关的分子波动和旋转运动的信息。由于使用单色X射线，反映单个分子内部运动的衍射点只能在满足衍射条件的特定波长区域内检测到。衍射强度随时间的变化反映了单个分子的运动情况，表明如果单个分子的运动速度很快，进出特定波长范围的亮点就会剧烈波动。另一方面，如果分子运动缓慢，衍射斑就会缓慢波动。通过对反映这些分子运动的衍射强度变化进行时间序列分析来评估分子运动。 Sasaki等人的团队于2018年提出的独创测量技术，作为测量单个蛋白质分子内部动态的技术。 DXB方法不仅可以使用大型同步辐射设备，还可以使用实验室级的X射线光源设备来获得单个蛋白质分子的内部运动。在这项研究中，我们在世界上首次应用 DXB 方法来测量多晶材料在发展其功能时的动力学。[返回来源]

（注 4）AIST/东京大学先进操作数测量技术开放创新实验室

AIST 和东京大学于 2016 年 6 月 1 日在东京大学柏校区建立的研究中心。我们通过结合彼此的种子技术，加强以“桥接”为目的的基础研究，构建产学官网络，开展利用尖端操作测量技术的生物功能材料、新材料、创新装置等的产业化和实际应用的研发。[返回来源]

(注5)大型同步辐射装置SPring-8 BL39XU

这是位于兵库县播磨科学园区市的 RIKEN 设施，可产生世界上最高性能的同步加速器辐射，并由日本高强度光子科学研究中心 (JASRI) 提供用户支持。 SPring-8 的名称是S上P霍顿环8源自GeV。同步加速器辐射是一种薄而强大的电磁波，当电子加速到几乎等于光速并且其行进方向被电磁体弯曲时产生。在 SPring-8，我们正在利用这种同步加速器辐射进行广泛的研究，包括纳米技术、生物技术和工业应用。进行实验的光束线 BL39XU 提供直径为 100 纳米（1/10,000 毫米）的聚焦 X 射线束。由于高亮度X射线微束可以稳定使用，因此在本研究中进行的微晶分析中是有效的。[返回来源]

(注6)1像素(pixel)自相关分析

时间序列数据分析方法之一。它被定义为衡量所获得的时间序列数据在时间上移动时与其自身信号匹配（相关）的程度。本研究开发了该方法，并证明了其有效性。 DXB方法中的单像素自相关函数（sp-ACF）对X射线衍射图像的每个像素进行自相关分析，并从计算出的sp-ACF曲线中提取衰减常数。根据获得的阻尼常数的分布来评估运动。通过进行统计测试，可以清楚地表征运动性的差异。[返回来源]

（注7）德拜谢乐环

当单色X射线入射到多晶材料上时，获得以入射点为中心的环形衍射图像。它是由德拜和谢勒于1916年发现的，并命名为德拜-谢勒环。众所周知，在粉末样品和多晶材料中，存在许多微晶，其取向满足每个晶格面的衍射和反射条件，使得可以观察圆形衍射图像并具有样品晶体特有的特性。[返回来源]