复杂流体的自驱动同步加速器相干 X 射线散射

(a) 在先进光子源 8-ID-I 光束线的垂滴装置上进行的 SA-XPCS 测量。左侧插图显示了悬滴装置和参考装置的 XPCS 测量结果对比，右侧插图显示了测量过程中悬挂在移液管尖端的液滴的放大光学图像。红色激光用于在垂直方向上粗调 X 射线光束。(b) Nvidia Isaac 仿真中机器人悬滴装置的 "数字双胞胎"，其中电子移液器停靠在安装板上进行 X 射线测量。红线和箭头表示射入和散射的 X 射线光束。图中标注的项目有 1. 机器人手臂；2.电子移液器；3.安装板；4.机器人工具更换器；5.直径为 1 毫米的 X 射线穿透反射镜；6.光学显微镜和摄像系统；7.带有 PCR 板和移液器吸头的样品制备站。(c) 光束线 8-ID-I 相邻化学实验室中的机器人悬滴装置，图中电子移液器正在拾取新的移液器吸头进行液体处理。右上方的插图显示了在线光学系统捕捉到的悬浮液滴。图片来源：张庆腾 张庆腾
 

软材料在我们的日常生活中无处不在，从我们吃的食物到我们使用的产品，再到构成我们身体的材料。软物质的一些例子包括奶油、牙膏和血液。大多数软材料都是复杂流体，这意味着它们在宏观上包含两相或多相的均匀混合物。

软材料中各相结构之间的动态竞争不仅会对其特性产生重大影响，还会对这些特性的可调性和可逆性产生重大影响。例如，某些液体在受到剪切后会暂时变得更具流动性（又称剪切稀化）。

番茄酱就是这样设计的，因此当它从瓶中挤出时更容易流动，而当它放在盘子上时则静止不动。因此，了解竞争相在不同条件下形成的空间结构的自发动态，对于软材料的定制设计至关重要。

表征软材料的自发动力学是一项具有挑战性的任务。假设一小瓶悬浮在水中的二氧化硅纳米粒子是一种相对简单的软材料。纳米粒子的动力学（即布朗运动）发生在纳米范围和微秒时间尺度上，因此不可能在每一时刻跟踪小瓶中每个粒子的确切位置。

这些信息也可能是不必要的，因为软材料的宏观特性通常是由动力学统计决定的，即系统在特定长度尺度上的演化速度。这就是光子相关光谱学（PCS，又称动态光散射）所报告的基本量。

在 PCS 中，光学激光穿过纳米粒子悬浮液，通过散射光强度的时间相关性来评估纳米粒子位置的变化。然而，PCS 并不适用于不透明的材料。此外，PCS 还无法测量颗粒无法自由扩散且动态无法用爱因斯坦-斯托克斯方程描述的系统的扩散性（如胶体凝胶）。

X 射线光子相关光谱（XPCS）的发展最终解决了这些局限性。

XPCS 是一种表征软材料自发动力学的强大技术。它使用空间相干（即 "类似激光"）的 X 射线束来探测微米-纳米范围内所有长度尺度的动态。由于散射角与所代表的长度尺度成反比，因此可以同时记录所有长度尺度的动态。
 

XPCS 的最大缺点是可用性远低于 PCS。首先，目前全球只有不到 10 台同步加速器能够进行 XPCS 实验。其次，相干 X 射线是通过对同步加速器 X 射线束进行空间裁剪以选择相干部分获得的，这导致 X 射线通量减少 10 到 100 倍。不过，全球第四代 X 射线源的建设和投入使用正在解决这些问题。

这些X射线源将把相干X射线通量提高100倍，从而把通量受限的XPCS特性测量时间缩短10,000倍。虽然这将大大提高 XPCS 的可用性，但同时也会产生一个新的瓶颈：人力带宽。设备用户将无法制作那么多的样品或处理那么多的信息。然而，这一挑战却非常适合快速发展的人工智能和机器人技术领域。

在《光： 科学与应用》（Light: Science & Applications）上发表的一篇新论文中，阿贡国家实验室先进光子源（APS）的张庆腾博士领导的科学家团队开发了一种可由人工智能执行的端到端自动化 XPCS 工作流程，用于研究复杂流体中的自发动力学。

研究分两个阶段进行。第一阶段在 APS 的 8-ID-I 光束线进行。本文研究的复杂流体由悬浮在水中的直径为 100 nm、体积分数为 2.5%的二氧化硅纳米粒子组成。使用电子移液器分配一滴样品并悬挂在移液器吸头的末端，通过同步辐射 X 射线光束照射该样品滴几秒钟来收集 XPCS 数据。

测量结束后，将液滴吸回移液器吸头中进行处理，无需人工操作。然后将垂滴的 XPCS 结果与两个参考样品设置进行比较，以验证垂滴设置是否可用于 XPCS 测量。参考设置 1 是 Charles Supper Co. 公司生产的长度为 40 毫米的薄壁石英毛细管，参考设置 2 是用外螺纹聚碳酸酯盖密封的铝液体池。

这两种装置都常用于复杂流体的小角 X 射线散射 (SAXS) 和 XPCS 测量，由于液体样品与铝电池体直接接触，第二个装置的温度精度更高。

第 1 阶段的主要挑战是解析亚微米级纳米粒子在水中的微秒动态。只有使用连续帧频高达 50 kHz 的理学 XSPA-500k 单光子计数像素阵列探测器才能做到这一点。XSPA-500k 探测器还配备了猝发模式功能，可在外部触发高达 1 kHz 的频率下猝发多达 24 个帧，每个帧的曝光时间短至 1 微秒。

本文使用了 3.7 微秒的曝光时间和 12 帧的猝发时间，因此有效帧频为 272 kHz，占空比为 4.4%。数据采集完成后，阿贡超级计算集群会使用APS数据管理工作流自动执行XPCS分析，并使用开源软件套件对结果进行可视化和重新渲染，从而实现近乎实时的数据解读，帮助光束线用户决定下一步执行哪些测量。

"X射线探测器的帧频对XPCS至关重要，因为它决定了测量的时间分辨率。通过使XPCS的时间分辨率更接近PCS，同步辐射X射线界可以从光散射界的知识库中获益，"本文通讯作者张庆腾博士说。"此外，大面积、高帧频探测器产生的大量数据使得自动数据管理工作流程成为高速 XPCS 测量不可或缺的组成部分。

第二阶段在相邻的 8-ID-I 光束线化学实验室进行，电子移液器安装在机械臂上。该装置通过机器人定位和电子移液，能够制备具有精确和可重复化学成分的复杂流体样品。

所有机器人动作均使用开源软件（如 Python）进行编程，并使用阿贡国家实验室开发的工作流执行接口（WEI）进行协调。WEI 允许将复杂的工作流划分为多个模块，每个模块都以人类可读的文本格式（如 YAML）指定。它还利用各种执行器，如实验物理和工业控制系统（pyEPICS）和机器人操作系统（ROS）的 Python 接口，促进模块间的通信。

"WEI中的模块化方法确实简化了机器人集成，因为你可以在目标完全不同的其他机器人程序中重复使用你制作的模块，"论文第一作者Doga Ozgulbas先生说。"我还可以将 ROS 模块导入 Nvidia Isaac 仿真，创建一个真实世界的'数字双胞胎'，在这里我可以优化物体的位置，检查可能发生的碰撞，确保机器人程序的安全。这是一个非常有价值的工具。

虽然悬挂式液滴装置与凝胶和软组织等无法移液的软质材料不兼容，但这些材料可以装载到铝制盖细胞中，这也是在第一阶段验证悬挂式液滴装置的参考装置之一。装载工作既可以由光束线用户在实验前完成，也可以由机器人在实验过程中完成。样品处理和XPCS分析的自动化可与人工智能辅助结果解读相结合，实现闭环自驱动实验。

"张庆腾博士补充说："在APS，我们努力确保用户家庭实验室的仪器或带宽限制不会阻碍他们的科学追求。"我们正在开发的自动化基础设施，无论是在硬件还是软件方面，都有可能惠及整个同步辐射X射线用户群，并有望促进各学科功能材料的自主设计和发现。

参考资料

Doga Yamac Ozgulbas et al, Robotic pendant drop: containerless liquid for μs-resolved, AI-executable XPCS, Light: Science & Applications (2023). DOI: 10.1038/s41377-023-01233-z