Ny form for røntgen-/CT-syn afslører objekters indre struktur i nanoskala, kemi

(Phys.org) —Nanomaterialer lavet af partikler med dimensioner målt i milliardtedele af en meter har et enormt løfte om at skabe mere effektive batterier, brændstofceller, katalysatorer, og lægemiddelleveringssystemer. At se, hvordan de nanostrukturerede materialer inde i disse enheder udvikler sig og interagerer, mens de fungerer, er afgørende for at få indsigt i måder at optimere ydeevnen på. Men de fleste undersøgelser har set på idealiserede prøver af isolerede komponenter, ikke som de fungerer i betjeningsenheder.

Nu har en gruppe forskere ved det amerikanske energiministeriums Brookhaven National Laboratory og Columbia Universitys School of Engineering and Applied Science udviklet en ny slags "røntgensyn" - en måde at kigge ind i enheder fra den virkelige verden for at kortlægge de interne nanostrukturer og egenskaber af de forskellige komponenter, og endda overvåge, hvordan egenskaber udvikler sig, efterhånden som enhederne fungerer. Den nye dobbeltbilleddannelsesmetode beskrevet i Naturkommunikation , 30. september, 2013, kombinerer højintensive røntgenstråler til kræsne strukturer i nanoskala med tværsnits "skiver" af enheden for at lokalisere den præcise placering af de nanostrukturerede komponenter. Det åbner nye muligheder for fremskridt inden for en bred vifte af forskningsdiscipliner fra materialevidenskab til biomaterialer, geologi, Miljøvidenskab, og sundhed.

"Hvis du tænker på et batteri med en anode, ved siden af ​​en membran, ved siden af ​​en fast elektrolyt, ved siden af ​​en anden membran, ved siden af ​​katoden, og alt dette pakket ind i en stålbeholder, den er ret uigennemsigtig udefra, sagde Simon Billinge, en af ​​papirets hovedforfattere og en forsker ved både Brookhaven og Columbia Engineering. "Hvad vi kan gøre nu, med denne nye dual-imaging metode, er at se inde i batteriet og udtrække nanostrukturen fra hver af disse dele af batteriet separat, og vi kan gøre det uden at skille batteriet ad, og vi kan også gøre det, mens batteriet kører, at følge kemien, efterhånden som materialerne udvikler sig."

Interne fingeraftryk

De røntgenbilleder, der bruges til denne teknik, er ikke som dem, der bruges til at afbilde en brækket knogle. De er udsøgt intense, små stråler med meget høj energi produceret af en synkrotron lyskilde, et videnskabeligt præcisionsinstrument placeret på udvalgte forskningscentre rundt om i verden, herunder Brookhaven Lab og European Synchrotron Radiation Facility i Grenoble, Frankrig, hvor netop denne undersøgelse blev udført. Røntgenstrålerne genererer målinger af fordelingen af ​​afstande mellem par af atomer i materialet - kendt som atomparfordelingsfunktioner, eller PDF'er - som afslører nanoskalastrukturen.

Tværsnitsbilleder i større skala af skiver af materialet taget fra flere vinkler ved hjælp af computertomografi (CT) - ligesom hvad læger bruger til at tjekke for hjerneskader efter et slemt fald - giver forskerne den rumlige information, de har brug for til at lave en 3-D kort over enhedens materialekomponenter og "placere" informationen om nanoskalastruktur på det pågældende kort.

"Hver metode er kraftfuld i sin egen ret, men sammen giver de os en helt ny slags billede, " sagde Billinge. "For første gang kan vi adskille nanostruktursignalerne fra de forskellige dele af en fungerende enhed og se, hvad atomerne laver hvert sted, uden at skille genstanden ad."

Ligesom billeddannelsesmetoderne, der har haft en enorm indflydelse i sundhedsvæsenet og de fysiologiske og neurologiske videnskaber, denne teknik giver en hidtil uset adgang til materialers interne funktion på nanoskala.

"Det er som at kunne se, hvad der sker, og foretage målinger, inde i ethvert rum dybt i midten af ​​Empire State Building, men ser på det fra observationsdækket på 30 Rockefeller Center – åh, og hvis Empire State og Rockefeller bygningerne var virkelig små, " sagde Billinge.

Demonstrer teknikken

For at demonstrere teknikken, forskerne lavede billeder af en kompleks fantomprøve bestående af en blanding af flere amorfe og semi-krystallinske materialer. De var i stand til nemt at skelne disse adskilte faser fra hinanden.

Derefter brugte de metoden til at studere den indre struktur af en katalysator lavet af palladiumnanopartikler på en aluminiumoxidbærer, der er meget brugt i den kemiske industri.

"Effektiviteten af ​​mange industrielle processer afhænger af ydeevnen af ​​katalysatorer deponeret på en strukturel understøtning kendt som et katalytisk legeme, så det er yderst relevant at forstå, hvordan de er forberedt og fungerer i praksis, " sagde Billinge.

Teknikken afslørede tydeligt en uensartet fordeling af partikler, med større partikler på overfladen og mindre på indersiden af ​​materialet.

"Det er ikke klart ud fra denne undersøgelse, om den betydelige katalytiske aktivitet ville stamme fra de større og flere partikler placeret i periferien, eller af de mindre i det indre, " sagde Billinge. "Men ved at bruge dynamisk PDF-CT til at overvåge katalysatoren, mens den udfører, det er nu muligt at give et mere fuldstændigt billede af katalysatorprøven og de evolutionære processer, hvorved den udvikler sig og fungerer for at forstå disse sammenhænge, og i sidste ende at guide forbedret katalysatordesign."

Denne forskning blev udført, mens Billinge var på sabbatår fra Columbia og Brookhaven, men vil sandsynligvis fortsætte ved National Synchrotron Light Source II (NSLS-II) ved Brookhaven, når den bliver operationel i 2015.

"Med moderne synkrotronlyskilder, sub-mikron røntgenstråler bliver mere udbredt tilgængelige, giver mulighed for PDF-CT-billeddannelse med opløsning på nanometerlængdeskalaer i den nærmeste fremtid, " sagde Billinge.