Je kunt niet goed zien zonder lenzen die kunnen scherpstellen, of die lenzen in uw oog zitten of in de microscoop waar u doorheen tuurt. Een innovatieve nieuwe manier om bundels van neutronen scherp te stellen, zou wetenschappers in staat kunnen stellen om de binnenkant van ondoorzichtige objecten te onderzoeken op een groottebereik waar ze voorheen blind voor waren, waardoor ze de ingewanden van objecten van meteorieten tot geavanceerde vervaardigde materialen kunnen verkennen zonder ze te beschadigen.

De methode, vandaag gepubliceerd in Fysieke beoordelingsbrieven , zou kunnen omzetten wat in het verleden een hulpmiddel was voor de neutronenwetenschap in een volwaardige scantechniek die details zou kunnen onthullen variërend in grootte van 1 nanometer tot 10 micrometer binnen grotere objecten. De aanpak biedt dit instrument, bekend als neutroneninterferometrie, met wat in wezen zijn eerste beweegbare "lenzen" zijn die in staat zijn om in en uit te zoomen op details in dit groottebereik - een bereik dat moeilijk te onderzoeken was, zelfs met andere neutronenscanmethoden.

Preciezer, deze "lenzen" zijn siliciumwafels die als diffractieroosters werken, die profiteren van de golfachtige eigenschappen van neutronen. De roosters splitsen en leiden een neutronenbundel zodat de golven tegen de randen van een object kaatsen en vervolgens met elkaar botsen, het creëren van een zichtbaar moiré-interferentiepatroon dat representatief is voor het object dat voor experts gemakkelijk te interpreteren is.

De methode is ontwikkeld door een team van onderzoekers van het National Institute of Standards and Technology (NIST), de National Institutes of Health (NIH), en de Canadese Universiteit van Waterloo. Volgens Michael Huber van NIST, de aanpak zou van neutroneninterferometrie een van de beste verkenningsinstrumenten in de kit van een materiaalwetenschapper kunnen maken.

"We kunnen op veel verschillende niveaus en op verschillende schalen naar structuur kijken, " zei Huber, een fysicus bij het Physical Measurement Laboratory van NIST die experimenten uitvoert bij het NIST Center for Neutron Research (NCNR). "Het zou een aanvulling kunnen zijn op andere scantechnieken omdat de resolutie zo goed is. Het heeft een dramatisch vermogen om te focussen, en we zijn niet beperkt tot het kijken naar dunne plakjes materiaal zoals bij andere methoden - we kunnen gemakkelijk in een dik stuk steen kijken."

Interferometrie is een specialiteit in de wereld van de neutronenwetenschap. Voordat wetenschappers het inwendige van een object kunnen onderzoeken met een neutronenstraal, ze moeten eerst een paar fundamentele details hebben over hoe de neutronen zullen weerkaatsen op de atomaire structuur van het object. Een van die details is de brekingsindex van een stof, een getal dat aangeeft hoeveel het de straal zal buigen vanuit de richting waarin het zich verplaatst. (Water buigt licht op een verwante manier - daarom lijkt het alsof je arm wegbuigt wanneer je hem in een zwembad dompelt.) Neutroneninterferometrie is de beste manier om die cruciale meting te verkrijgen.

Neutroneninterferometrie heeft ook potentieel voor andere toepassingen in de fundamentele fysica, zoals het nauwkeurig meten van de zwaartekrachtconstante. Het is gevoelig genoeg om te detecteren hoe de zwaartekracht van een object neutronen kan afbuigen, net zoals de aarde een vliegende bal aantrekt (en vice versa). Maar de achilleshiel van de neutronenmethode is hoe langzaam het werkt. Om neutronen te focussen op een materiaalmonster, een interferometer heeft een kristal nodig dat tot precieze afmetingen is gesneden uit een enkel groot blok dure, hoogwaardige siliconen. (Andere neutronentechnieken kunnen volstaan ​​met kristallen van veel lagere kwaliteit.)

Helaas, kristallen die goed genoeg zijn voor interferometrie blokkeren ook de meeste neutronen die ze raken, wat betekent dat het lang duurt voordat een bundel voldoende neutronen langs een monster stuurt om een ​​nauwkeurige brekingsindex te krijgen. Andere taken zouden veel langer duren.

"De neutronenbronnen zijn al erg zwak, "Zei Dmitry Pushin van Waterloo. "Het zou honderd jaar duren om een ​​goed antwoord te krijgen op fundamentele vragen zoals de waarde van de zwaartekrachtconstante."

De nieuwe benadering omzeilt deze problemen door een drietal dunne siliciumroosters te gebruiken om de neutronen te focussen in plaats van een enkel kostbaar kristal. Onder een microscoop, het platte oppervlak van elk rooster ziet eruit als een kam met smalle, dicht op elkaar staande tanden. Niet alleen laten de roosters de hele neutronenbundel er doorheen gaan - in plaats van het straaltje neutronen dat door het kristal gaat - ze hebben het cruciale voordeel dat ze beweegbaar zijn.

"Je stelt scherp door het rooster een fractie van een millimeter te verplaatsen, Huber zei. "Het is licht, maar niet moeilijk."

Gedemonstreerd in het NIST Center for Neutron Research, de aanpak van het team bouwt voort op een ontdekking die aanvankelijk bij NIH werd gedaan, waar wetenschappers experimenteerden met het toepassen van de roosters op röntgenstralen en merkten dat zich een moirépatroon vormde op hun visuele imager.

"Het idee werd voor het eerst ontwikkeld door ons laboratorium om het beeld vast te leggen van materialen waar röntgenstralen met iets andere snelheden reizen dan in de lucht, zoals het menselijk lichaam zelf, " zei Han Wen, senior onderzoeker bij NIH's National Heart, Long, en Bloedinstituut. "Centraal in dit idee zijn röntgenroosters, die zijn gemaakt met de zeer gespecialiseerde tools in de NIST Nanofab-faciliteit."

Toevallig, de wetenschappers van NIST en Waterloo de NIH-teamleden ontmoetten op een conferentie en een samenwerking aangingen, vermoedend dat de roosters net zo goed zouden werken voor neutronen als voor röntgenstralen. Het NIH-team bracht de roosters terug naar NIST, waar ze werden geassembleerd in de neutroneninterferometer.

Na even goede resultaten bij de NCR, Huber zei dat er maar één ding in de weg staat dat hun interferometer een geweldig hulpmiddel voor de industrie wordt:ze hebben een reeks openingen nodig van verschillende breedtes waar de neutronenbundel doorheen gaat voordat deze de interferometer raakt. Direct, ze hebben maar één opening tot hun beschikking, en het beperkt hun zicht.

"We kunnen nu het volledige bereik van 1 nanometer tot 10 micrometer zien, maar het beeld is een beetje wazig omdat we niet genoeg gegevens krijgen, " zei hij. "Elk ander diafragma geeft ons een ander datapunt, en met genoeg punten kunnen we beginnen met kwantitatieve analyse van de microstructuur van een materiaal. We hopen dat we een set van misschien honderd gemaakt kunnen krijgen, die ons in staat zou stellen om gedetailleerde kwantitatieve informatie te krijgen."

Het team heeft al de binnenkant gescand van een blok graniet dat een mengsel van vier verschillende mineralen bevat, en de scan toont de details van waar elk stukje mineraal zit. Huber zei dat de methode goed zou zijn voor niet-invasieve scans van poreuze objecten zoals meteorieten of gefabriceerde materialen, zoals gels of schuimen, die de basis vormen van veel consumentenproducten.

"We hopen ook dat we eindelijk die zwaartekrachtconstante kunnen meten, " zei hij. "We kunnen een groot blok van een zwaar metaal zoals wolfraam in de buurt plaatsen en zien hoe het de balk buigt. Het zou ons begrip van het universum verbeteren en het zou niet langer duren dan ons leven."

Dit verhaal is opnieuw gepubliceerd met dank aan NIST. Lees hier het originele verhaal.