美国能源部劳伦斯伯克利国家实验室（Berkeley Lab）研究人员开发出一种新方法，可从以往被认为难以用于结构解析的纳米晶体样品中确定原子结构。研究团队表示，该进展有望为尺寸过小或存在缺陷、难以满足传统晶体学要求的材料提供新的数据获取途径。

晶体材料在计算、通信、能源技术与制药等领域应用广泛，其性能往往与组成分子的周期性排列密切相关。为推动材料开发与应用，研究人员通常需要获得材料的原子结构信息。但X射线晶体学等成熟方法通常要求样品为较大且接近完美的单晶，现实中不少重要材料难以生长出符合条件的晶体。

伯克利实验室团队近日在《美国国家科学院院刊》发表研究，提出一种可在纳米晶体聚集簇中对单个纳米晶体进行采样的方案。分子铸造厂国家电子显微镜中心（NCEM）工作人员科学家、论文资深作者Peter Ercius表示，该技术能够从纳米尺度样品中选择性提取质量更高区域的数据。

研究采用四维扫描透射电子显微镜（4D-STEM）方法：将电子束收束至数纳米尺度，并以小步长扫描样品；在实验中，对数十万个探针位置分别记录独立衍射图样，从而形成大规模数据集。团队指出，这一工作进一步推动了电子显微镜在晶体学中的应用。

近年来，晶体学界也在使用微晶电子衍射（MicroED）分析纳米级样品。由于高能电子与物质相互作用更强，研究人员能够对更小的纳米晶体进行成像并解析结构。不过，论文第一作者、NCEM博士后Ambarneil Saha指出，MicroED通常采用几微米宽的电子束照射样品，并通过显微镜内的物理光阑尝试隔离目标晶体信号；当多个晶体位于光阑覆盖区域内时，衍射图样会混合，增加解释难度。

为应对上述限制，团队使用定制探测器“4D相机”。该相机以每秒87,000帧运行，安装在NCEM的TEAM 0.5显微镜上，产生的数据速率约为美国平均互联网下载速度的1500倍。研究团队将数据实时传输至伯克利实验室国家能源研究科学计算中心（NERSC）的Perlmutter超级计算机，并通过专门算法进行压缩与处理。Ercius表示，团队还将部分X射线晶体学程序改编用于处理该探测器产生的电子显微镜数据。

在方法验证中，研究人员选用金属有机框架（MOF）材料UiO-66作为模型化合物。UiO-66可形成约300纳米宽的多孔八面体晶体，虽然此前已通过X射线表征，但获取干净衍射数据通常需要费力生长更大晶体。

研究的关键之一是团队提出的“虚拟光阑”计算技术。该方法允许研究人员在计算层面选择分析样品的特定部分，从纳米晶体聚集体中分离单个纳米晶体的信号，并可进一步定位到单个纳米晶体内部产生更优数据的子区域。与尺寸和形状固定的物理光阑不同，虚拟光阑可按需要绘制并优化为自定义形状，以针对样品内特定原子区域。Saha表示，这使研究人员能够逐像素选择更佳区域并剔除缺陷区域，从而在传统物理光阑难以处理的样品上获得可用于结构解析的数据。

论文同时提到，MOF是能源、健康与环境技术研究的热点方向。Ercius与Saha表示，该方法的精细选择能力有望用于表征用于药物递送或气体捕获的多孔MOF，并帮助研究微小晶体捕获、保持与释放分子的结构信息。Saha称，团队希望进一步推动4D-STEM用于解析更小尺度的单晶结构。