3-D røntgentomografi samler oplysninger op om ismikrostruktur

Der er intet som en is på en varm dag, og at spise det, før det smelter for meget, er en del af det sjove. Is er et blødt fast stof, og dens appel er en kompleks kombination af 'mundfølelse', smag og udseende, som alle er stærkt påvirket af den underliggende mikrostruktur. Vi ved, at ændringer i isens mikrostruktur forekommer ved opbevaringstemperaturer over -30 ° C, så de vil forekomme under forsendelse, og i frysere i supermarkedet og derhjemme. I deres igangværende søgen efter at skabe den perfekte is, et internationalt team af forskere bragte prøver til Diamond for at undersøge temperaturafhængigheden af ​​disse mikrostrukturelle ændringer, og de underliggende fysiske mekanismer, der styrer mikrostrukturel stabilitet.

Tidligere forskning har undersøgt grovning af mikrostrukturen med lysmikroskopi og kryoskannende elektronmikroskopi, og transmissionselektronmikroskopi, men disse teknikker giver kun 2D-information om overfladen eller snit gennem isprøven. 3D-røntgen tomografi giver langt flere oplysninger, og for deres første sæt eksperimenter på Diamond, holdet brugte isprøver, der var blevet termisk 'misbrugt' på forhånd, ved at cykle dem mellem -15 ° C og -5 ° C i et antal dage. Resultaterne viste, at både iskrystaller og luftceller i isskummet voksede i størrelse i op til 14 cykler, med en vækstrate, der faldt betydeligt efter 7 cyklusser.

Disse ex situ undersøgelser kunne ikke vise interaktionerne mellem de mikrostrukturelle funktioner, og så for deres seneste sæt eksperimenter, holdet bragte isprøver, der var blevet termisk cyklet gennem 7 cykler til Diamond, og undersøgte dem derefter i yderligere 7 cyklusser på Diamond Manchester Beamline (I13-2). De udviklede en ny datarekonstruktion og billedbehandlingsmetode til at segmentere og kvantificere det store datasæt, der er resultatet af disse tidsopløste undersøgelser.

Resultaterne viste, at smeltning og omkrystallisation er ansvarlig for ændringer i iskrystalstørrelse og -form under termisk misbrug, der henviser til, at ændringerne i luftboblens størrelse og sammenkobling hovedsageligt skyldes, at boblerne samles.

Ifølge professor Peter Lee fra Research Complex ved Harwell:

"Dette arbejde afslørede også andre interessante fænomener, herunder rollen som den frosne matrix til at opretholde isens mikrostrukturelle stabilitet og de komplekse interaktioner mellem iskrystaller og luftbobler. For eksempel, smeltning og omkrystallisation af iskrystaller påvirker luftboblernes morfologi og adfærden for den ufrosne matrix betydeligt. "

Holdets resultater giver afgørende information, der forbedrer forståelsen af ​​mikrostrukturel evolution i is og andre bløde fødevarer. De udviklede eksperimentelle opsætnings- og billedbehandlingsrutiner kan anvendes på en lang række bløde materialer.