Laser, Vacuum, and Gas Reaction Chamber for Operando Measurements at NSLS-II's 28-ID-2

材料科学者は、物質が加熱されたり、ガスと混合されたり、あるいは圧力を受けたりしながらどのように変化するかを観察する必要があることが多い。これは、従来の測定方法では、測定を行うためにプロセスを停止させる必要があるか、あるいは変化が起きている試料の内部ではなく表面のみしか見ることができないため、困難を伴う。現実世界で材料がどのように振る舞うかを理解するために、研究者は「オペランド（operando）」測定として知られる概念、すなわち、物質が実際に動いている様子を観察する必要がある。このアプローチにより、科学者は化学反応の速度や、物質が一種の状態から別の状態へと変化する際の原子の動きを追跡することが可能となる。これは、静的なスナップショットではなく、動的な姿を提供してくれるものである。この能力がなければ、反応が正確にどのくらいの速さで起こるのか、あるいは材料が最終形態に達する前にどのような中間段階を経るのかを知ることは極めて難しい。

強力なX線ビームを発生させる巨大な施設である国立シンクロトロン光線源II（National Synchrotron Light Source II）において、研究チームはこれらの問題を解決するための新しいツールを構築した。彼らは、厚い試料に対しても高エネルギーのX線を透過させることができることができるビームライン「28-ID-2」に適合する、特殊な反応チャンバーを設計した。この新しい装置は、加熱用の強力なレーザーと、さまざまなガスや真空さえも保持できる制御された環境を組み合わせたものである。目標は、サンプルがレーザーによって急速に加熱される間、特定のガスにさらされながら、同時に高速X線が毎秒ごとに原子構造の写真を撮影できるようなセットアップを作り出すことだった。このようにすることで、チームは化学反応が展開される様子をリアルタイムで観察し、以前は見ることができなかった詳細を捉えることができた。

チャンバー自体は、敏感な電子機器やモーターを、内部の高温で腐食性の可能性がある環境から隔離するように設計された堅牢な金属製の箱である。これには、X線ビームが入り、そして出るための特殊な窓と、上部からレーザービームがサンプルに当たるための別の窓が備わっている。研究者たちは、レーザーとX線ビームが全く同じ場所に当たるように、精密に動かせるマウント上にサンプルを配置した。温度を測定する際、サンプルに触れると結果が変わったりセンサーが溶けたりする可能性があるため、非接触で温度を測るために光学式高温計（オプティカル・パイロメーター）を使用した。この装置は、サンプルが放出する赤外光を検出することで、離れた場所から熱を読み取る温度計のような役割を果たす。システム全体により、研究者は水素やアルゴンなどの異なるガス雰囲気へと切り替えたり、真空状態にしたりしながら、サンプルを最高1,500度まで加熱することができる。

このセットアップが機能するかどうかをテストするため、チームはまず、錆（さび）によく見られ、様々な産業プロセスで使用される一般的な材料である酸化鉄を調査した。彼らは酸化鉄の粉末を小さな固形のペレット状に押し固め、チャンバー内に配置した。次に、水素とアルゴンの混合ガスを導入し、レーザーを起動してサンプルを加熱した。レーザーが酸化鉄を加熱するにつれて、X線ビームがそれを透過し、検出器は毎秒ごとに原子配列の画像を捉えた。データは、酸化鉄が単一の滑らかなステップで鉄へと変化したのではないことを示した。代わりに、研究者たちは、材料がいくつかの異なる中間形態を経て変化するという複雑なシーケンスを観察した。毎秒ごとに変化を測定できたため、各ステップにどれくらいの時間がかかったのか、また反応中に異なる相がいかに共存していたのかを正確に把握することができた。このレベルの詳細な解析により、このプロセスが、より遅い加熱法に依存していた従来の研究が示唆していたものよりも、はるかに複雑であることが明らかになった。

二番目の実験では、研究者たちはタングステン・ジテルリドと呼ばれる単結晶に注目した。多くの微細な粒子からなる酸化鉄のペレットとは異なり、このサンプルは単一の連続した結晶片であった。彼らはこれを真空中に置き、レーザーを使用して加熱した。目的は、温度の上昇に伴って原子が一つのパターンから別のパターンへと再配列する、結晶の特定の構造変化を観察することであった。X線ビームが非常に強力であったため、厚い結晶を透過することができ、研究者は材料の深部で起きている原子のシフトを見ることができた。温度が上昇するにつれて、回折パターン（結晶構造の固有の指紋）が変化し、材料が相転移を起こしていることが確認された。この実験は、新しいチャンバーがデリケートな単結晶を扱い、それらを損傷させることなく内部の変化を観察できることを実証した。これは他の加熱方法では困難なことである。

これらの一連の実験の成功は、新しい反応チャンバーが極限条件下での材料研究のための多目的なツールであることを証明している。急速なレーザー加熱と高速X線イメージングを組み合わせることで、研究者はわずか1秒の時間分解能で、数分間にわたって起こる化学反応を解明することができるようになった。この能力は、化学工場における触媒の働き方から、高温加工中の鉱物の挙動に至るまで、幅広いプロセスの研究への扉を開くものである。変化が起きた後や起きる前だけでなく、それが起きている最中にその変化を見ることができる能力は、材料がどのように変容するかを支配するルールについて、より明確な理解を科学者に与えてくれる。技術の向上に伴い、測定をさらに高速化する計画が進む中で、このセットアップは、私たちの世界における物質の動的な振る舞いに関する新たな洞察を明らかにすることを約束している。