就像在一片庞大的草场中的一根小针，在西伯利亚中部钻一个钻孔样本中发现的单颗晶粒仅为百万分之一米，有一种意想不到的化学成分。

在能源部劳伦斯伯克利国家实验室(伯克利实验室)使用的专业X射线技术证实了该样本的独特性，并为其作为新发现的矿物正式认可铺平了道路：ognitite。

基于伯克利实验室先进光源(ALS)技术的成功，研究团队正在利用它来研究其他有希望的新矿物发现候选物的小样本。ALS是一种同步加速器，可以产生X射线和其他类型的光，用于数十个同步实验。

“困难在于这些矿物质非常罕见，只能以极少量使用，”ALS的一名科学家Nobumichi Tamura表示，他帮助定制了实验技术 - 被称为X射线劳厄微衍射(以及微观) -Laue X射线衍射) - 研究包括矿物质在内的微小晶体样品。田村参与了ognitite的发现，现在正与同一团队合作探索其他样本。

承担'绝望案件'

5月份在 Mineralogical杂志上发表的一项研究中详述了ogniteite矿物的结构和其他性质，并在欧洲矿物学杂志中有记录。该研究还描述了一种新的富含钴的矿物品种 - 被描述为“cobaltian maucherite-Tamura在ALS使用相同的技术进行探索。

“我们正在研究没有传统技术可以发挥作用的案例，”田村说。“这些是绝望的案件。”

他补充说：“我多年来一直对开发这种技术感兴趣，专门用于识别新的矿物质，因为偶尔会有一些研究人员使用一种未知材料，而这些材料无法使用任何更传统的技术解决。” 在ognitite和cobaltian maucherite的情况下，到目前为止，每个都只有个别样本。

在ALS中使用的X射线劳厄微衍射的形式使用窄聚焦的X射线束，其跨越一系列能量以精细细节探索材料的原子结构。光束聚焦到人类头发直径的大约百分之一。

伯克利实验室高级光源(ALS)的科学家Nobumichi Tamura在ALS Beamline 12.3.2研究了一种罕见的晶体样品。该光束线的X射线技术是一项研究的关键，该研究有助于确认矿物ognite的发现。图片来源：Marilyn Chung / Berkeley Lab

田村指出，传统的单晶X射线衍射通常以特定能量在X射线束中旋转晶体样品，以帮助解析其原子结构。

当晶体样品如此珍贵和小，以至于研究人员不能轻易地从周围材料中提取它们而不损坏晶体，包括电子衍射，单晶X射线衍射和粉末X射线衍射在内的技术通常是不可能的。

同时，ALS技术扫描整个样品，无需旋转晶体，将其与周围环境分离，或以任何其他方式进行研究。

整个扫描在几分钟内完成，尽管这种技术的数据分析远比传统衍射复杂，并且需要大量的计算能力。研究人员在伯克利实验室的国家能源研究科学计算中心(NERSC)及其计算研究部门使用计算机集群来处理劳厄微衍射实验的数据。

Catherine Dejoie现在是欧洲同步辐射装置(ESRF)的光束科学家，于2009年被聘为ALS博士后研究员，专门开发一种分析劳厄微衍射技术数据的方法，以解决材料的原子结构。她与田村密切合作。

微小样本中的化学线索

俄罗斯Cherepovets州立大学工业和矿石矿物学研究实验室主任Andrei Barkov带领国际团队获得了ogniteite的发现，并且是该ogniteite研究的主要作者。

该团队包括Tamura和Camelia Stan-Stan是ALS的研究员，参与了该项研究，但此后离开了伯克利实验室。来自法国工程学院法国国立高等技术学院(ENSTA)的学生研究员Elise Grenot正在协助Tamura在ALS进行最新一轮候选新矿物实验。

巴科夫通过与德国法兰克福歌德大学教授BjörnWinkler的联系，了解了伯克利实验室开发的技术，该教授熟悉ALS技术。

Nobumichi Tamura是伯克利实验室先进光源的一名科学家，他拥有一个X射线样品平台，该平台上装有环氧树脂盘，用于封装矿物样品。图片来源：Marilyn Chung / Berkeley Lab

巴尔科夫已经参与了其他几个成功的矿物发现，包括导致正式认可的tatyanaite，edgarite，laflammeite和menshikovite作为新矿物的研究。但是，现在被称为ogniteite的样品很难确认为新的矿物，尽管它的化学性质似乎是独一无二的，Barkov指出。

“这种矿物质在其成分的基础上被怀疑是新的，这种矿物质在铋中异常丰富，”他说。“我们只能找到一个单一的标本，就像一个小小的颗粒。这个小颗粒很小 - 这就是为什么来自Nobu Tamura的微劳恩贡献非常重要的原因。”

经过两次尝试，包括在ALS进行第二次努力的后续一轮实验，以获得新矿物委员会，命名法和国际矿物学协会分类(IMA)认可的ognitite作为独特矿物。截至2018年11月，IMA报告了5,413种已识别的矿物，经委员会审查和批准后，该名单通常每年增加30种或更多矿物。

Ognitite含有镍，铋和碲。该研究指出，它的晶体结构类似于一种名为褐铁矿的矿物，它也是由镍和碲组成，但与高浓度的铋无关。ognitite在化学上类似于矿物tellurohauchecornite，由镍，铋，碲和硫组成。

新矿物以西伯利亚的Ognit矿物复合体命名

巴科夫表示，ognitite发现团队的首选是在贝加尔湖之后将其命名为“白腐土”，贝加尔湖位于发现新矿物的地区，但这个名称未经IMA批准。该委员会反而赞成“ognitite”，因为矿物质发现来自西伯利亚萨彦岭地区的Ognit超镁铁质复合体。

已知这种地质构造富含金属沉积物，包括稀有的铂族元素，镍和铬。

Barkov说，cobaltian maucherite样品是从同一Ognit复合体中富含镍的砷化物中回收的，并测量了其中的百万分之二十分之一米。他说，由于其尺寸和稀有性，“它只能在结构上表征”使用微劳厄技术。

他说，他的团队正在俄罗斯其他地区探索这种类型的地层，特别感兴趣的岩层大小可以从大约一公里到几十公里不等。

该图显示了伯克利实验室先进光源研究的ognitite样品的衍射图。使用称为X射线劳厄微衍射的技术获得图案。图片来源：Nobumichi Tamura / Berkeley Lab

“我们会详细收集和检查数以千计的岩石样本和矿石样本，以及更多的矿物颗粒，”他说。“由于这些努力，可能会发现单粒的潜在新矿物。”

他的团队通常使用光学显微镜，扫描电子显微镜，一种称为能量色散X射线光谱，波长色散光谱和传统X射线衍射的技术来研究几十年来收集的矿物样品。

从俄罗斯到ALS

Barkov联系BjörnWinkler，了解他是否可以创造一种合成形式的ognite，以及合成其他矿物样品。

“Winkler教授在他的实验室拥有扎实的背景和适当的设施来合成类似于潜在新矿物的新化合物，”Barkov说。Winkler已经与Tamura建立了合作关系，然后Barkov向Tamura询问了在ALS研究ognitite样本的可能性。

Dejoie曾帮助开发数据分析方法以支持使用ALS技术研究微小晶体的结构，几乎每年都会回到ALS使用这种技术进行实验，并改进数据分析方法。她说，在她自己的研究中，她现在正在使用该技术进行时间分辨实验，追踪材料如何从一种物质状态转变为另一种状态。

虽然X射线劳厄微衍射在世界同步加速器光源中并不是独一无二的，但Dejoie和Tamura指出，它在ALS上的专业应用及其数据分析方法的成熟是独一无二的。

“我们开始看到非常小的水晶晶体，你不能用经典的装置来看，”Dejoie回忆道。

左侧的这种反射光显微照片显示了ognite颗粒(Ogn)，以及铋，hessite(Hs)，altaite(Alt)和磁铁矿(Mag)。右侧，背散射电子图像也显示样品的矿物成分。图片来源：Mineralogical Magazine，2019年5月8日，DOI：10.1180 / mgm.2019.31

兴趣日益浓厚

她指出，该技术可用于解决诸如化学反应和材料结构变化等过程的时间安排。

她在ALS工作的劳厄微衍射技术“是电子衍射的一个非常有趣的替代品”，Dejoie说，或者至少是研究晶体结构的补充工具，因为它可以快速收集整个高精度数据集。

她指出，劳厄微衍射的改编对于称为X射线自由电子激光器(XFEL)的光源的晶体研究也是有用的，X射线自由电子激光器具有超短脉冲。

“看到平行 - 我们已经在使用类似的方法”来表示单个通道中的晶体结构，并且无需旋转它们或以特定方式定向它们之前很有趣，然而在XFEL中尝试之前学习。

在称为“连续晶体学”的XFEL技术中，许多晶体样品被流入窄能量X射线脉冲的路径中。在这些实验中，从撞击相同样品类型的随机取向晶体的单个X射线脉冲收集信息，以形成全面的3-D原子结构。

Dejoie担任2015年研究的主要作者，该研究详细介绍了使用宽能X脉冲同时撞击单个或多个随机取向晶体的劳厄衍射技术如何适用于XFEL，作为传统的新“快照”方法连续晶体学。

她说，令人欣慰的是，她在ALS开发的Laue微衍射技术基于同步加速器的技术有助于确认新的矿物质。“当你看到一些你正在努力获得某些兴趣时，它总是很好。这意味着它正在蔓延，并且可能会有更多的发展和更多的人在努力。”

ALS和NERSC都是DOE科学用户设施办公室。

参与ogniteite发现的团队还包括来自意大利佛罗伦萨大学，俄罗斯西伯利亚联邦大学，加拿大麦吉尔大学和英国自然历史博物馆的研究人员。美国能源部基础能源科学办公室支持ALS。参与该研究的个人部分得到了俄罗斯基础研究基金会和英国自然环境研究委员会的支持。