Særlig røntgenteknik gør det muligt for forskere at se 3D-deformationer

Mens læger bruger røntgenstråler til at se de knækkede knogler inde i vores kroppe, forskere har udviklet en ny røntgenteknik til at se inde i kontinuerligt pakkede nanopartikler, også kendt som korn, at undersøge deformationer og dislokationer, der påvirker deres egenskaber.

I en ny undersøgelse offentliggjort i fredags i Videnskab , forskere ved US Department of Energy's (DOE) Argonne National Laboratory brugte en røntgenspredningsteknik kaldet Bragg kohærent diffraktionsbilleddannelse til i 3D at rekonstruere størrelsen og formen af ​​korndefekter. Disse defekter skaber ufuldkommenheder i gitteret af atomer inde i et korn, der kan give anledning til interessante materialegenskaber og effekter.

"Denne teknik giver meget høj følsomhed over for atomforskydninger, samt evnen til at studere materialer under en række forskellige realistiske forhold, såsom høje temperaturer, "sagde Argonne -fysikeren Wonsuk Cha, en forfatter til papiret.

"Hvis du vil kortlægge indersiden af ​​kornet, for at se netværket af dislokationer, det er en spændende teknik, "tilføjede Argonne materialeforsker Andrew Ulvestad, en anden forfatter.

I de sidste ti år har forskere havde set på defektstrukturen i adskilte nanopartikler. Men forskere havde ikke en måde at se på de forvridninger i krystalgitteret i korn, der dannede kontinuerlige film af materiale, som dem, der findes i nogle solceller eller visse katalytiske materialer.

Ved Bragg kohærent diffraktionsbilleddannelse, forskere skinner røntgenstråler ved en prøve, som spreder atomerne i materialets struktur. Ved at observere spredningsmønstrene, forskere kan rekonstruere materialets sammensætning i 3D. Med små isolerede nanopartikler, disse oplysninger er relativt lette at indsamle, men for tynde film er der yderligere komplikationer. "Det er som at prøve at finde ud af, hvor Paul McCartney er på det ikoniske foto af Abbey Road versus at prøve at finde ud af, hvor den sjette violinist i et stort orkester er, ”Sagde Ulvestad.

Forskningen fokuserede på et specifikt område mellem partikler kendt som "korngrænsen, "en region, der forårsager de fleste af de interessante materielle fænomener." Korngrænsen kan betragtes som en fejllinje i en tektonisk plade, "Ulvestad sagde." Det styrer meget underliggende aktivitet. "

Ulvestad nævnte specifikt tyndfilmede solceller, en lovende fotovoltaisk teknologi, som et bemærkelsesværdigt eksempel på en type teknologisk spændende materiale, der kunne have gavn af undersøgelsen. "Det er normalt ret komplicerede materialer, hvis adfærd i høj grad bestemmes af de atomer, der er på frontlinjen, 'nær korngrænserne, " han sagde.

Dislokationerne nær korngrænser styres af defektstrukturen i materialet, og Ulvestad håber, at efterhånden som forskere opnår evnen til at kontrollere syntesen og placeringen af ​​defekter, de vil i sidste ende også være i stand til at kontrollere materialernes adfærd nær korngrænsen.

Ved at bruge de særligt penetrerende højenergirøntgenstråler produceret af Argonnes Advanced Photon Source, forskerne var i stand til at se deformationen af ​​krystalgitteret i realtid.

En artikel baseret på undersøgelsen, "Bragg kohærent diffraktiv billeddannelse af dynamik i enkeltkorndefekter i polykrystallinske film, "dukkede op online i Videnskab den 19. maj.