Najnowocześniejsza metoda rentgenowska ujawnia orientację 3D nanoskala struktur materiałowych, oferując świeże spojrzenie na ich funkcjonalność.
Naukowcy ze szwajcarskiego źródła światła (SLS) opracowali przełomową technikę zwaną rentgenowską liniową dichroiczną tomografią orientacyjną (XL-DOT). Metoda ta ujawnia trójwymiarowy układ elementów konstrukcyjnych materiału w nanoskali. Jego pierwsze zastosowanie skupiało się na katalizatorze polikrystalicznym, umożliwiając naukowcom wizualizację ziaren kryształów, granic ziaren i defektów – krytycznych cech wpływających na działanie katalizatora. Poza katalizą, XL-DOT oferuje bezprecedensowy wgląd w strukturę różnych materiałów funkcjonalnych stosowanych w technologiach informatycznych, magazynowaniu energii i zastosowaniach biomedycznych.
Postępy w nieniszczącym obrazowaniu mikrostruktur materiałów
Przybliżenie mikro- lub nanostruktury materiałów funkcjonalnych – naturalnych lub wytworzonych przez człowieka – ujawnia niezliczone spójne domeny lub ziarna. Ziarna te to odrębne obszary, w których cząsteczki i atomy są ułożone w uporządkowany, powtarzający się wzór.
Układ tych ziaren jest ściśle powiązany z właściwościami materiału. Ich rozmiar, orientacja i rozmieszczenie mogą oznaczać różnicę między solidną cegłą a rozpadającym się kamieniem. Określają, jak plastyczny jest metal, jak skutecznie półprzewodnik przenosi elektrony i jak dobrze ceramika przewodzi ciepło. Ta organizacja strukturalna odgrywa również kluczową rolę w materiałach biologicznych; na przykład włókna kolagenowe zbudowane są z przeplatających się włókienek, a ich ułożenie wpływa na wytrzymałość mechaniczną tkanki łącznej.
Domeny te są często małe: mają wielkość kilkudziesięciu nanometrów. I to ich rozmieszczenie w trzech wymiarach na rozległych objętościach decyduje o właściwościach. Jednak do tej pory techniki badania organizacji materiałów w nanoskali w dużej mierze ograniczały się do dwóch wymiarów lub miały charakter destrukcyjny.
Teraz, korzystając z promieni rentgenowskich generowanych przez szwajcarskie źródło światła SLS, współpracujący zespół naukowców z Instytutu Paula Scherrera PSI w ETH Zurich, Uniwersytet Oksfordzki i Instytutowi Chemicznej Fizyki Ciała Stałego im. Maxa Planka udało się stworzyć technikę obrazowania umożliwiającą dostęp do informacji w trzech wymiarach.
„Nie tylko zaglądamy do środka, ale z rozdzielczością w nanoskali”
Ich technika znana jest jako liniowa dichroiczna tomografia zorientowana promieniami rentgenowskimi, w skrócie XL-DOT. XL-DOT wykorzystuje spolaryzowane promieniowanie rentgenowskie ze szwajcarskiego źródła światła SLS, aby zbadać, w jaki sposób materiały absorbują promienie rentgenowskie w różny sposób w zależności od orientacji domen strukturalnych wewnątrz. Zmieniając polaryzację promieni rentgenowskich i obracając próbkę w celu przechwytywania obrazów pod różnymi kątami, technika ta tworzy trójwymiarową mapę ujawniającą wewnętrzną organizację materiału.
Zespół zastosował swoją metodę do kawałka katalizatora z pięciotlenku wanadu o średnicy około jednego mikrona, używanego do produkcji kwasu siarkowego kwas. Tutaj mogli zidentyfikować najdrobniejsze szczegóły struktury katalizatora, w tym ziarna krystaliczne, granice styku ziaren i zmiany w orientacji kryształów. Zidentyfikowali także defekty topologiczne katalizatora. Cechy te bezpośrednio wpływają na aktywność i stabilność katalizatorów, dlatego znajomość tej struktury jest kluczowa w optymalizacji wydajności.
Co ważne, metoda pozwala uzyskać wysoką rozdzielczość przestrzenną. Ponieważ promienie rentgenowskie mają krótką długość fali, metoda ta może rozdzielić struktury o wielkości zaledwie kilkudziesięciu nanometrów, dopasowując się do rozmiarów takich elementów, jak ziarna krystaliczne.
„Od wielu lat do pomiaru anizotropii materiałów wykorzystuje się dichroizm liniowy, ale po raz pierwszy został on rozszerzony na trójwymiarowość. Zaglądamy nie tylko do środka, ale z rozdzielczością nanoskali” – mówi Valerio Scagnoli, starszy naukowiec w Messcopic Systems, wspólnej grupie PSI i ETH Zurich. „Oznacza to, że mamy teraz dostęp do informacji, które wcześniej nie były widoczne, i możemy to osiągnąć na podstawie małych, ale reprezentatywnych próbek o wielkości kilku mikrometrów”.
Lider w dziedzinie spójnych promieni rentgenowskich
Chociaż naukowcy po raz pierwszy wpadli na pomysł XL-DOT w 2019 r., wdrożenie go w praktyce zajęłoby kolejne pięć lat. W połączeniu ze złożonymi wymaganiami eksperymentalnymi główną przeszkodą było wyodrębnienie trójwymiarowej mapy orientacji kryształów z terabajtów surowych danych. Tę matematyczną zagadkę rozwiązano dzięki opracowaniu dedykowanego algorytmu rekonstrukcji przez Andreasa Apseros, pierwszego autora badania, podczas jego studiów doktoranckich w PSI finansowanych przez Szwajcarską Narodową Fundację Nauki (SNSF).
Naukowcy uważają, że ich sukces w opracowaniu XL-DOT jest częściowo dzięki długoterminowemu zaangażowaniu w rozwój wiedzy specjalistycznej w zakresie spójnych promieni rentgenowskich w PSI, co doprowadziło do niespotykanej dotąd kontroli i stabilności instrumentu przy spójnym rozpraszaniu promieni rentgenowskich pod małym kątem ( cSAXS) linia energetyczna: krytyczna dla delikatnych pomiarów.
Jest to obszar, w którym po aktualizacji SLS 2.0 nastąpi duży postęp: „To właśnie tutaj naprawdę zyskamy na spójności” – mówi Apseros. „Przyglądamy się bardzo słabym sygnałom, więc przy bardziej spójnych fotonach będziemy mieli więcej sygnału i będziemy mogli albo przejść do trudniejszych materiałów, albo uzyskać wyższą rozdzielczość przestrzenną”.
Droga do mikrostruktury różnorodnych materiałów
Biorąc pod uwagę nieniszczący charakter XL-DOT, naukowcy przewidują operacyjne badania systemów takich jak baterie i katalizatory. „Ciadra katalizatorów i cząstki katod w akumulatorach mają zazwyczaj wielkość od dziesięciu do pięćdziesięciu mikrometrów, więc jest to rozsądny kolejny krok” – mówi Johannes Ihli, poprzednio z cSAXS, a obecnie z Uniwersytetu Oksfordzkiego, który kierował badaniem.
Naukowcy podkreślają jednak, że nowa technika jest przydatna nie tylko w przypadku katalizatorów. Jest przydatny do wszystkich rodzajów materiałów, które wykazują uporządkowaną mikrostrukturę, czy to tkanek biologicznych, czy zaawansowanych materiałów do technologii informatycznych lub magazynowania energii.
Rzeczywiście dla zespołu badawczego motywacja naukowa polega na badaniu trójwymiarowej organizacji magnetycznej materiałów. Przykładem jest orientacja momentów magnetycznych w materiałach antyferromagnetycznych. Tutaj momenty magnetyczne są ustawione w naprzemiennych kierunkach, gdy odchodzą atom do atomu. Materiały takie nie wykazują namagnesowania netto mierzone na odległość, mimo to posiadają lokalny porządek w strukturze magnetycznej, co jest atrakcyjne dla zastosowań technologicznych, takich jak szybsze i bardziej wydajne przetwarzanie danych. „Nasza metoda jest jednym z niewielu sposobów zbadania tej orientacji” – mówi Claire Donnelly, liderka grupy w Instytucie Chemicznej Fizyki Ciała Stałego im. Maxa Plancka w Dreźnie, która od czasu wykonania pracy doktorskiej w grupie Messcopic Systems utrzymuje ścisłą współpracę z zespół PSI.
To właśnie podczas tej pracy doktorskiej Donnelly wraz z tym samym zespołem w PSI opublikował w Natura metoda do przeprowadzenia tomografia magnetyczna przy użyciu promieni rentgenowskich spolaryzowanych kołowo (w przeciwieństwie do XL-DOT, który wykorzystuje promienie rentgenowskie spolaryzowane liniowo). Od tego czasu zostało to wdrożone w synchrotronach na całym świecie.
Zespół ma nadzieję, że po przygotowaniu podwalin pod XL-DOT stanie się on, podobnie jak jego brat z polaryzacją kołową, szeroko stosowaną techniką w synchrotronach. Biorąc pod uwagę znacznie szerszy zakres próbek, dla których ma zastosowanie XL-DOT oraz znaczenie uporządkowania strukturalnego dla wydajności materiału, można oczekiwać, że wpływ tej najnowszej metody będzie jeszcze większy. „Teraz, gdy pokonaliśmy wiele wyzwań, inne linie badawcze mogą wdrożyć tę technikę. A my możemy im w tym pomóc” – dodaje Donnelly.
Referencja: „Rentgenowska liniowa tomografia dichroiczna wad krystalograficznych i topologicznych” 11 grudnia 2024 r., Natura.
