飞秒X射线自由电子激光脉冲在LiF晶体中制备高深宽比纳米腔体的新突破

《Nature Communications》：Formation of high-aspect-ratio nanocavity in LiF crystal using a femtosecond X-ray free-electron laser pulse

本刊推荐：为解决纳米流体生物芯片系统中高深宽比纳米通道的制备难题，研究人员利用飞秒X射线自由电子激光(XFEL)脉冲在LiF晶体内部成功制备了直径亚微米、长度达毫米级的纳米腔体（深宽比>1,000）。该研究通过连续介质模拟和分子动力学模拟揭示了腔体形成的动力学过程，为任意材料（包括非光学透明材料）的纳米流体器件开发开辟了新途径。

　　

在生物医学检测和化学分析领域，纳米流体芯片技术正以前所未有的速度发展。其中，高深宽比的纳米通道作为核心组件，能够实现对微量液体的精确控制和分子级别的筛选，为单细胞分析、DNA测序等前沿应用提供了强大工具。然而，现有制备技术主要依赖飞秒激光在透明材料内部诱导微爆炸形成纳米通道，这种方法存在根本性局限——只能处理对激光波长透明的材料，且加工精度易受材料非线性响应的干扰。面对日益增长的高通量、高精度检测需求，开发一种普适性强、能适用于各种材料的纳米通道制备方法成为当务之急。

近日，一项发表于《Nature Communications》的研究打破了这一技术壁垒。由Sergey S. Makarov领衔的国际合作团队利用X射线自由电子激光(XFEL)的独特优势，在氟化锂(LiF)晶体中成功制备出直径约0.6微米、长度超过1毫米的纳米腔体，其深宽比达到惊人的1:1600以上。这一突破标志着纳米通道制备技术从"光学透明材料"向"任意材料"的重大转变。

为系统研究这一现象，研究人员采用了多学科交叉的实验设计和理论模拟方法。实验在欧洲XFEL的高能量密度(HED)仪器站完成，使用9 keV、20飞秒的X射线脉冲，通过铍制复合折射透镜聚焦至0.41微米的光斑。通过精确控制脉冲能量（26.7 μJ和81 μJ），在2毫米厚的LiF晶体中诱导纳米腔体的形成。表征手段包括扫描电子显微镜(SEM)分析表面形貌、激光共聚焦显微镜(LSM)荧光成像检测内部结构，以及聚焦离子束-扫描电子显微镜(FIB-SEM)联用技术进行截面观测。理论方面，团队发展了平滑粒子流体动力学(SPH)模型、分子动力学(MD)模拟和流体动力学(HD)计算，从连续介质到原子尺度全面阐释腔体形成机制。

Morphology of generated cavity

研究表明，单次XFEL脉冲在LiF晶体内部形成了复杂的三维结构。表面分析显示，能量沉积区域呈现典型的火山口形貌，中心为亚微米级入口，周围环绕熔融区和放射状裂纹区。有趣的是，随着深度增加，腔体直径保持稳定（约0.6微米），而长度可达1100微米。通过荧光成像技术观察到，腔体在深度方向呈现明显的三段式结构：近表面的火山口区、中部均匀的纳米通道区以及末端的闭合区。

Multi-method simulations

理论模拟揭示了纳米腔体形成的物理本质。SPH模拟表明，X射线脉冲在皮秒量级内产生高达TPa量级的冲击波压力，驱动材料径向流动形成初始空腔。随后，稀疏波的传播使空腔达到最大尺寸，并在数十纳秒内稳定形成最终结构。MD模拟进一步揭示了深层区域的腔体形成机制：在能量沉积较低的区域（约12 kJ·cm^-3），熔融LiF的等容冷却过程引发空化现象，最终在结晶前沿形成清晰的腔体边界。这种"径向挤压"机制与传统激光烧蚀有本质区别，其质量转移主要发生在固体内部而非真空喷射。

研究还发现，LiF晶体中形成的十字形荧光图案与晶格取向相关的损伤分布密切相关。模拟显示，面心立方结构的LiF在冲击波作用下沿特定晶向产生裂纹，导致荧光信号呈现四重对称性，这一现象为理解强场作用下材料损伤的各向异性提供了新视角。

该研究的核心创新在于首次证实了硬X射线激光在固体内部制备高深宽比纳米结构的可行性。与光学激光相比，XFEL具有穿透深度大（LiF中9 keV光子的衰减长度为475微米）、聚焦能力强、材料普适性广等突出优势。特别是当光子能量提升至25 keV时，衰减长度可达厘米量级，为实现更深层次的纳米通道制备提供了可能。

值得注意的是，类似现象在半导体硅中也被观察到，表明这种"径向挤压"机制具有普适性。随着MHz重复频率XFEL装置的发展，这项技术有望实现每秒百万个纳米通道的制备效率，为大规模纳米流体芯片的制造开辟全新路径。此外，该方法为研究极端条件下材料相变、非平衡态动力学等基础科学问题提供了新平台，特别是在高压新相合成、温稠密物质研究等领域具有重要价值。

这项研究不仅解决了纳米流体技术中的关键制备难题，更开创了利用X射线激光进行三维微纳加工的新范式。通过将加工材料范围从透明介质扩展到金属、陶瓷等任意材料，为下一代生物传感器、化学分析芯片等功能器件的开发奠定了坚实基础，标志着纳米流体技术进入了一个全新的发展阶段。