Terwijl artsen röntgenfoto's gebruiken om de gebroken botten in ons lichaam te zien, wetenschappers hebben een nieuwe röntgentechniek ontwikkeld om in continu verpakte nanodeeltjes te kijken, ook wel granen genoemd, om vervormingen en dislocaties te onderzoeken die hun eigenschappen beïnvloeden.

In een nieuwe studie die afgelopen vrijdag werd gepubliceerd in Wetenschap , onderzoekers van het Argonne National Laboratory van het Amerikaanse Department of Energy (DOE) gebruikten een röntgenverstrooiingstechniek genaamd Bragg coherente diffractiebeeldvorming om in 3D de grootte en vorm van korreldefecten te reconstrueren. Deze defecten creëren onvolkomenheden in het rooster van atomen in een korrel die aanleiding kunnen geven tot interessante materiaaleigenschappen en effecten.

"Deze techniek biedt een zeer hoge gevoeligheid voor atomaire verplaatsingen, evenals het vermogen om materialen te bestuderen onder een aantal verschillende realistische omstandigheden, zoals hoge temperaturen, " zei Argonne natuurkundige Wonsuk Cha, een auteur van de krant.

"Als je de binnenkant van het graan in kaart wilt brengen, om het netwerk van dislocaties te zien, dit is een spannende techniek, " voegde Argonne materiaalwetenschapper Andrew Ulvestad toe, een andere auteur.

De afgelopen tien jaar, wetenschappers hadden gekeken naar de defectstructuur van gescheiden nanodeeltjes. Maar wetenschappers hadden geen manier om te kijken naar de vervormingen in het kristalrooster in korrels die continue films van materiaal vormden, zoals die gevonden worden in sommige zonnecellen of bepaalde katalytische materialen.

In Bragg coherente diffractiebeeldvorming, wetenschappers schijnen röntgenstralen op een monster, die de atomen in de structuur van het materiaal verstrooien. Door de verstrooiingspatronen te observeren, wetenschappers kunnen de samenstelling van het materiaal in 3D reconstrueren. Met kleine geïsoleerde nanodeeltjes, deze informatie is relatief eenvoudig te verzamelen, maar voor dunne films zijn er extra complicaties. "Het is alsof je probeert te achterhalen waar Paul McCartney is op de iconische foto van Abbey Road versus proberen te achterhalen waar de zesde violist in een groot orkest is, ' zei Ulvestad.

Het onderzoek richtte zich op een specifiek gebied tussen deeltjes dat bekend staat als de "korrelgrens, een gebied dat de meeste interessante materiële verschijnselen veroorzaakt. De korrelgrens kan worden gezien als een breuklijn in een tektonische plaat, " zei Ulvestad. "Het regelt veel onderliggende activiteit."

Ulvestad noemde specifiek dunne-film zonnecellen, een veelbelovende fotovoltaïsche technologie, als een opmerkelijk voorbeeld van een soort technologisch opwindend materiaal dat baat zou kunnen hebben bij het onderzoek. "Dit zijn meestal behoorlijk gecompliceerde materialen waarvan het gedrag grotendeels wordt bepaald door de atomen die zich in de frontlinie bevinden, ' nabij de korrelgrenzen, " hij zei.

De dislocaties nabij korrelgrenzen worden gecontroleerd door de defectstructuur in het materiaal, en Ulvestad hoopt dat als wetenschappers de mogelijkheid krijgen om de synthese en positionering van defecten te beheersen, ze zullen uiteindelijk ook het gedrag van materialen nabij de korrelgrens kunnen sturen.

Door gebruik te maken van de bijzonder doordringende hoogenergetische röntgenstralen geproduceerd door Argonne's Advanced Photon Source, de onderzoekers konden de vervorming van het kristalrooster in realtime bekijken.

Een artikel gebaseerd op het onderzoek, "Bragg coherente diffractieve beeldvorming van single-grain defectdynamica in polykristallijne films, " verscheen online in Wetenschap op 19 mei.