Geavanceerde materialen zijn essentiële ingrediënten in producten waar we op vertrouwen, zoals batterijen, straalmotorbladen, 3D-geprinte onderdelen in auto's. Wetenschappers en ingenieurs gebruiken informatie over de structuur en beweging van atomen in deze materialen om componenten te ontwerpen die deze producten betrouwbaarder maken, efficiënt en veilig in gebruik.

Vandaag, er zijn grenzen aan hoeveel wetenschappers op atomaire schaal in deze materialen kunnen zien - vooral als ze in gebruik zijn, en dat maakt het veel moeilijker om nieuwe componenten te ontwerpen die exponentieel beter zijn dan wat we nu hebben.

Om de gegevens te verstrekken die nodig zijn om deze producten te verbeteren, een team van ingenieurs en wetenschappers van het Oak Ridge National Laboratory (ORNL) van het Department of Energy heeft een nieuwe pinhole-gebaseerde diffractietechniek ontwikkeld die ze PIND noemen. In een paper gepubliceerd in Technische Natuurkunde Brieven , ze bewezen dat het mogelijk is om de vergroting en resolutie van structuren diep in geconstrueerde componenten drastisch te verbeteren met pinhole-diffractie.

"In een primeur voor neutronendiffractie tijdens de vlucht op het VULCAN-instrument, we waren in staat om de resolutie met ongeveer een orde van grootte te verhogen met een gaatje, " zei Ke-An, een ORNL instrumentwetenschapper.

Het concept is eenvoudig. Net zoals microscopen lenzen gebruiken om licht te focussen om een ​​object te vergroten, een perfect geplaatst gaatje of spleet kan de neutronen concentreren die van een monster worden verstrooid terwijl ze er doorheen gaan. Deze kleine toevoeging aan het VULCAN-instrument bij ORNL's Spallation Neutron Source (SNS), gekoppeld aan de toevoeging van een nieuwe en verbeterde helium-3-detector, verhoogde de ruimtelijke resolutie van het instrument met acht keer:van 2, 000 micron (µm), ongeveer de dikte van een spaghettinoedel, tot ongeveer 250 µm, wat ongeveer de lengte is van 30 bloedcellen in een rechte lijn.

"We hebben niet alleen bewezen dat het mogelijk is om de resolutie van neutronendiffractometers met een pinhole drastisch te verbeteren, maar we denken dat het mogelijk is om de resolutie verder te verbeteren tot ongeveer 100 µm met toekomstige detectoren, " zei Alexandru D. Stoica, een ORNL instrumentwetenschapper. "Verhogingen van de resolutie zoals deze zijn opwindend omdat ze nieuwe mogelijkheden openen voor wetenschappelijke studies van geavanceerde materialen."

In tegenstelling tot röntgenfoto's, neutronen zijn zeer doordringend en niet-destructief. Dit maakt ze een ideale sonde voor de studie van 3D-geprinte en geavanceerde technische materialen, in realtime onder realistische bedrijfsomstandigheden. VULCAN's vermogen om te profiteren van deze speciale eigenschappen maakt het een uitstekend hulpmiddel voor het bestuderen van veranderingen in de moleculaire structuur; verandert van de ene toestand naar de andere, zoals van een vaste stof naar een vloeistof (een fasetransformatie); interne spanningen veroorzaakt wanneer kracht wordt uitgeoefend op een object; en textuur in technische materialen. Het ORNL-onderzoeksteam gebruikte VULCAN om de laatste te bestuderen in koolstofarm staal dat is gelast met een nikkelmetaalvulmiddel.

"Met deze nieuwe neutronendiffractietechniek, we waren in staat om de verdeling van complete groepen kristallen - allemaal in dezelfde richting te wijzen - gedetailleerder dan ooit tevoren en zonder ze daarbij te beschadigen, " An zei. "We waren ook in staat om te zien hoe de verschillende kristalgroepen hun oriëntatie in realtime veranderden toen er kracht op de las werd uitgeoefend."

Het project werd ondersteund door ORNL's Laboratory Directed Research and Development (LDRD) subsidie. Naast Stoica en An, Wei Wu van ORNL, Kevin Bes, Matthew Frost en Harley Skorpenske droegen bij aan het project.

"Vooruit gaan, we maken plannen om alle VULCAN-detectoren te vervangen door de nieuwe en verbeterde detector en om meer onderzoek te doen om te zien in hoeverre we de resolutie op neutronendiffractometers verder kunnen verbeteren met de PIND-techniek, ' zei An.