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CAS 창춘광학연구소 정밀기계물리학 광출판센터

이미지: (a) Beamline 8-ID-I, Advanced Photon Source의 펜던트 낙하 설정에서 SA-XPCS 측정. 왼쪽 삽입은 펜던트 낙하와 기준 설정의 XPCS 결과 비교를 보여주고, 오른쪽 삽입은 측정 중 피펫 팁에 매달린 방울의 확대 광학 이미지를 보여줍니다. 적색 레이저는 X선 빔을 수직 방향으로 대략 정렬하는 데 사용됩니다. (b) Nvidia Isaac 시뮬레이션의 로봇 펜던트 드롭 설정의 '디지털 트윈'. 여기서 전자 피펫은 X선 측정을 위해 장착 플레이트에 도킹됩니다. 빨간색 선과 화살표는 들어오는 X선 빔과 산란된 X선 빔을 나타냅니다. 그림에 표시된 항목은 다음과 같습니다. 1. 로봇 팔; 2. 전자 피펫; 3. 장착 플레이트; 4. 로봇 공구 교환기; 5. 직경 1mm의 X선 통과형 반사 거울; 6. 광학현미경 및 카메라 시스템 7. PCR 플레이트와 피펫 팁이 포함된 샘플 준비 스테이션. (c) Beamline 8-ID-I의 인접한 화학 실험실에 있는 로봇 펜던트 드롭 설정. 여기서 전자 피펫은 액체 처리를 위해 새로운 피펫 팁을 선택하는 것으로 표시됩니다. 오른쪽 상단의 삽입은 인라인 광학 시스템에 의해 포착된 매달린 펜던트 낙하를 보여줍니다.더보기

크레딧: Qingteng Zhang

부드러운 소재는 우리가 먹는 음식부터 사용하는 제품, 우리 몸을 구성하는 소재까지 우리 일상 곳곳에 존재합니다. 부드러운 재료의 예로는 크림, 치약, 혈액 등이 있습니다. 대부분의 부드러운 재료는 복잡한 유체입니다. 이는 두 개 이상의 상이 거시적으로 균일하게 혼합되어 있음을 의미합니다. 연성 물질의 상 구조 간의 동적 경쟁은 그 특성뿐만 아니라 이러한 특성의 조정 가능성과 가역성에도 중요한 영향을 미칠 수 있습니다. 예를 들어, 일부 액체는 전단이 적용된 후 일시적으로 더 유동적이 됩니다(전단 희석이라고도 함). 케첩은 병에서 짜냈을 때 더 쉽게 흐르고, 접시 위에 놓았을 때 가만히 있기 위해 이런 방식으로 설계되었습니다. 따라서 다양한 조건에서 경쟁 단계에 의해 형성된 공간 구조의 자발적인 역학을 이해하는 것은 연성 소재의 맞춤형 설계에 필수적입니다.

부드러운 재료의 자연 역학을 특성화하는 것은 어려운 작업입니다. 상대적으로 단순하고 부드러운 물질인 물에 떠 있는 실리카 나노입자가 담긴 유리병을 생각해 보세요. 나노입자의 역학(즉, 브라운 운동)은 나노미터 범위와 마이크로초 단위로 발생하므로 매 순간 유리병에 있는 모든 입자의 정확한 위치를 추적하는 것은 불가능합니다. 연질 재료의 거시적 특성은 일반적으로 역학 통계, 즉 시스템이 특정 길이 규모에서 얼마나 빠르게 전개되는지에 의해 결정되므로 이러한 정보는 불필요할 수도 있습니다. 이는 광자 상관 분광법(PCS, 동적 광산란이라고도 함)에 의해 보고된 기본 수량입니다. PCS에서 광학 레이저는 나노입자 현탁액을 통해 전송되고 나노입자 위치의 변화는 산란된 빛의 강도의 시간적 역상관을 통해 평가됩니다. 그러나 PCS는 불투명한 재료에는 적합하지 않습니다. 또한 PCS는 입자가 자유롭게 확산되지 않고 역학이 Einstein-Stokes 방정식(예: 콜로이드 겔)으로 설명될 수 없는 시스템의 확산성을 측정할 수 없습니다. 이러한 제한은 결국 XPCS(X선 광자 상관 분광학)의 개발을 통해 해결됩니다.

XPCS는 부드러운 소재의 자발적인 역학을 특성화하는 강력한 기술입니다. 이는 공간적으로 일관성 있는(예: "레이저와 유사한") X선 빔을 사용하여 미크론 나노미터 범위 내의 모든 길이 규모에서 역학을 조사합니다. 이는 산란 각도가 나타내는 길이 스케일에 반비례하기 때문에 모든 길이 스케일에서 역학을 동시에 기록할 수 있는 대형 픽셀화된 영역 검출기를 사용하여 가능합니다. XPCS의 가장 큰 단점은 PCS에 비해 가용성이 훨씬 낮다는 것입니다. 우선, 현재 XPCS 실험을 수행할 수 있는 싱크로트론은 전 세계적으로 10개 미만입니다. 둘째, 간섭성 X선은 싱크로트론 X선 빔을 공간적으로 잘라내어 간섭성 부분을 선택함으로써 얻어지며, 이로 인해 X선 플럭스가 10~100배 감소합니다. 그러나 이러한 문제는 4세대 X선 소스의 글로벌 구축 및 시운전을 통해 해결되고 있습니다. 이러한 소스는 응집성 X선 플럭스를 최대 100배까지 증가시키므로 플럭스 제한 XPCS 특성화의 측정 시간을 최대 10,000배까지 단축합니다. 이로 인해 XPCS의 가용성이 크게 향상되지만, 인간 대역폭이라는 새로운 병목 현상도 발생합니다. 시설 사용자는 그렇게 많은 샘플을 만들거나 그렇게 많은 정보를 처리할 수 없습니다. 그러나 이 과제는 빠르게 성장하는 AI 및 로봇 공학 분야에 이상적입니다.