Voor de eerste keer, onderzoekers hebben neutronentomografiebeelden vastgelegd in ongeveer een seconde, bijna een orde van grootte sneller dan eerder gerapporteerde pogingen. Tot voor kort, lange beeldacquisitietijden waren het grootste obstakel voor het gebruik van deze niet-invasieve techniek om dynamische 3D-processen te bestuderen, zoals de wateruitwisseling tussen wortels en bodem.

"De mogelijkheid om zo snel beelden te verwerven, stelt ons in staat om vast te leggen, met ongekende details, de snelle processen die optreden wanneer wortels water en andere voedingsstoffen uit de bodem opnemen, " zei Christian Tötzke, die het onderzoeksteam van de Universiteit van Potsdam leidde. "Een beter begrip van deze interacties tussen wortel en bodem zou kunnen helpen de efficiëntie van het watergebruik en de gewasproductie te optimaliseren, die zou kunnen helpen voldoen aan de hogere eisen van een toenemende wereldbevolking en beperkte middelen."

In het tijdschrift The Optical Society (OSA) Optica Express , een multi-institutionele groep onderzoekers beschrijft hoe ze recordsnelle beeldvormingstijden voor neutronentomografie bereikten. Het onderzoek maakt deel uit van een voortdurende inspanning om de significante invloed te bestuderen die wortels hebben op de fysische en chemische eigenschappen van de omringende bodem.

"Omdat neutronen zeer gevoelig zijn voor waterstof - inclusief waterstofbevattende verbindingen zoals water - kan high-speed neutronenbeeldvorming worden gebruikt om plantenwortels te visualiseren en tegelijkertijd de veranderende waterverdeling in de bodem in kaart te brengen, "Zei Tötzke. "Het kan ook worden gebruikt om andere dynamische transportprocessen te bestuderen, zoals de overdracht van vloeistoffen in kunstmatige of natuurlijke poreuze materiaalsystemen."

Bijvoorbeeld, hogesnelheidsneutronentomografie zou nieuwe inzichten kunnen opleveren in de dynamiek die optreedt tijdens hydrofracturering en kunnen worden gebruikt om het gedrag van lithium in batterijen te bestuderen om hun duurzaamheid en veiligheid te vergroten.

Interacties tussen wortel en aarde vastleggen

Hoe planten water en voedingsstoffen uit de bodem opnemen, hangt sterk af van de transporteigenschappen van de bodem naast de wortels, een gebied dat bekend staat als de rhizosfeer. Om beter inzicht te krijgen in de interacties tussen wortel en bodem, moeten wetenschappers meer te weten komen over hoe structurele en biochemische veranderingen in de rhizosfeer invloed hebben op de manier waarop water en voedingsstoffen naar de wortels stromen.

Neutronenbeeldvorming is ideaal voor deze toepassing omdat wanneer neutronen interageren met atomen zoals waterstof en lithium, ze worden goed zichtbaar terwijl metalen zoals aluminium en titanium meestal transparant zijn. Deze beeldvormingsbenadering onderscheidt ook waterstofisotopen, waardoor een isotopisch zwaarder watermolecuul, bekend als gedeutereerd water, als contrastmiddel kan worden gebruikt. Dit type water wordt ook goed verdragen door planten.

Echter, de relatief lage acquisitiesnelheid van neutronenbeeldvorming maakte het een uitdaging om te gebruiken voor in de tijd opgeloste 3D-studies van snelle processen zoals waterabsorptie. Een neutronenbron die beschikbaar is in de onlangs geopende beeldvormingsfaciliteit NeXT-Grenoble aan het Instituut Laue-Langevin kan de stroom leveren die nodig is voor snellere neutronenbeeldvorming.

Een snelle beeldopstelling ontwikkelen

"NeXT-Grenoble heeft de meest intense koude neutronenflux voor beeldvormingsdoeleinden ter wereld, "zei Tötzke. "Echter, door gebruik te maken van deze hoge flux moesten we de acquisitieparameters optimaliseren, die de grenzen van de beschikbare technologie uitdaagde."

De onderzoekers ontwikkelden een beeldopstelling voor snelle beeldvorming met een zeer efficiënt scintillatorscherm dat neutronen omzet in zichtbaar licht en een wetenschappelijke CMOS-camera met een hoge framesnelheid. Ze gebruikten deze opstelling om de wateropname te bestuderen van het wortelsysteem van een lupineplant dat met een constante snelheid werd gedraaid terwijl er continu foto's werden gemaakt.

"De gegevens die we hebben verkregen, overtroffen de verwachtingen, niet alleen in termen van acquisitiesnelheid, maar ook in signaal-ruisverhouding en algehele ruimtelijke resolutie, waaruit blijkt dat deze benadering perfect geschikt was om te bestuderen hoe bodem en water omgaan met wortels, ", legt Tötzke uit.

Nu de onderzoekers de technische haalbaarheid van snelle neutronentomografie hebben aangetoond, ze zijn van plan om specifiek voor deze toepassing snellere camera's en betere rotatietrappen te ontwerpen. Ze willen ook proberen de neutronenflux aan te passen om de temporele resolutie van deze techniek verder te vergroten. De snelle beeldvormingsopstelling zal ook worden opgenomen in het NeXT-instrument in Grenoble, zodat andere wetenschappers het kunnen gebruiken om snelle transportprocessen te bestuderen.