تصویربرداری نانو با اشعه ایکس: انقلاب جدید برای کاتالیزورها و مواد آینده!

یک گام نو در تصویربرداری نانو با استفاده از توموگرافی دی‌کروئیک خطی اشعه ایکس

محققان در “مرکز نور سوئیس” (SLS) روشی تازه ارائه داده‌اند به نام توموگرافی دی‌کروئیک خطی اشعه ایکس (XL-DOT) که به ما امکان می‌دهد جهت‌گیری عناصر سازنده یک ماده را در مقیاس نانو و به شکل سه‌بعدی بررسی کنیم. نخستین‌بار از این روش در مطالعه یک کاتالیزور چندبلوری استفاده شد که این امکان را فراهم کرد تا ساختار دانه‌های بلوری، مرزهای این دانه‌ها و نقص‌های موجود در آن‌ها را ببینیم. این موارد، عوامل کلیدی برای تعیین عملکرد کاتالیزور هستند. این روش، فراتر از کاتالیزورها، می‌تواند به بینش‌های جدیدی در ساختار مواد کاربردی متنوع، از جمله موادی که در فناوری اطلاعات، ذخیره‌سازی انرژی و کاربردهای زیست‌پزشکی به کار می‌روند، به ما بدهد. محققین دستاوردهای خود را در مجله‌ی Nature به چاپ رسانده‌اند.

ساختار ریز و نانومواد کاربردی

اگر به ساختار میکروسکوپی یا نانومواد عملکردی – چه طبیعی و چه ساختِ دست بشر – نگاهی بیندازید، متوجه می‌شوید که این مواد از هزاران و هزاران حوزه یا دانه‌ی همگن تشکیل شده‌اند. این مناطق مشخص، مکان‌هایی هستند که اتم‌ها و مولکول‌ها در الگوهای تکرارشونده کنار هم چیده شده‌اند. چنین نظم محلی به طور جدایی‌ناپذیری با خواص ماده مرتبط است. اندازه‌ی دانه‌ها، جهت‌گیری و توزیع آن‌ها می‌تواند تفاوت بین یک آجر محکم با یک سنگ فرسوده را ایجاد کند؛ این عوامل بر مقاومت فلزها، کارایی انتقال الکترون در نیمه‌رساناها یا هدایت حرارتی سرامیک‌ها اثر می‌گذارند. این ویژگی در مواد زیستی هم اهمیت دارد: به عنوان مثال، رشته‌های کلاژن از یک شبکه‌ی فیبری تشکیل شده‌اند و چگونگی سازمان‌دهی آن‌ها عملکرد مکانیکی بافت‌های پیوندی را تعیین می‌کند. ابعاد این حوزه‌ها معمولاً بسیار کوچک بوده و به ده‌ها نانومتر می‌رسد، اما ترتیب قرارگیری آن‌ها به‌صورت سه‌بعدی در حجم‌های بزرگ، خواص ماده را تعیین می‌کند.

روش جدید و مزایای آن

تا به امروز، روش‌های بررسیِ چیدمان مواد در مقیاس نانو، عمدتاً به دو بعد محدود بوده‌اند یا ماهیت تخریبی داشته‌اند. اما حالا، یک گروه‌ تحقیقاتی مشترک از “مؤسسه پل شرر” (PSI)، دانشگاه ETH زوریخ، دانشگاه آکسفورد، و “مؤسسه ماکس پلانک برای شیمی فیزیک جامدات”، با استفاده از اشعه ایکس تولید شده توسط “مرکز نور سوئیس” (SLS)، موفق به ابداع روشی تصویربرداری شده‌اند که امکان دستیابی به این اطلاعات را در سه بعد فراهم می‌کند.

روش آن‌ها “توموگرافی دی‌کروئیک خطی اشعه ایکس” یا به اختصار XL-DOT نامیده می‌شود. XL-DOT از اشعه ایکس قطبی‌شده در “مرکز نور سوئیس” (SLS) بهره می‌برد تا بررسی کند که مواد، بسته به جهت‌گیری دامنه‌های ساختاری درون خود، چگونه اشعه ایکس را به شیوه‌های متفاوتی جذب می‌کنند. با تغییر قطبش اشعه ایکس و چرخاندن نمونه برای ثبت تصاویر از زوایای گوناگون، این روش نقشه‌ای سه‌بعدی از ساختار داخلی ماده ایجاد می‌کند.

مطالعه‌ی کاتالیزور و اهمیت آن

تیم تحقیقاتی، روش خود را بر روی یک کاتالیزور اکسید وانادیوم به قطر حدود یک میکرومتر، که در تولید اسید سولفوریک به کار می‌رود، اجرا کردند. در این آزمایش، آن‌ها توانستند جزئیات بسیار ریز در ساختار کاتالیزور را شناسایی ‌کنند؛ از جمله دانه‌های بلوری، مرزهای بین دانه‌ها و تغییرات در جهت‌گیری بلورها. همچنین، آن‌ها نقص‌های توپولوژیکی در کاتالیزور را کشف کردند. این ویژگی‌ها به طور مستقیم بر فعالیت و پایداری کاتالیزورها تأثیر می‌گذارند؛ بنابراین، آگاهی از این ساختار در بهینه‌سازی عملکرد بسیار حیاتی است.

این روش از دقت فضایی بالایی برخوردار است. به دلیل طول موج کوتاه اشعه ایکس، این روش می‌تواند ساختارهایی به کوچکی چند ده نانومتر را تشخیص دهد که با اندازه‌ی ویژگی‌هایی مانند دانه‌های بلوری هم‌اندازه است.

والریو اسکانیولی، دانشمند ارشد در بخش سیستم‌های مزوسکوپی، که یک گروه مشترک بین PSI و ETH زوریخ است، می‌گوید: “از دیرباز از “دی‌کروئیسم خطی” برای اندازه‌گیری ناهمسانگردی در مواد استفاده می‌شده است، اما این نخستین بار است که به سه بعد گسترش یافته است. ما نه‌تنها به درون ماده نگاه می‌کنیم، بلکه این کار را با دقت نانومقیاس انجام می‌دهیم.”

دستیابی به اطلاعات جدید با XL-DOT

این بدین معناست که ما اکنون به اطلاعاتی دسترسی داریم که پیش از این قابل مشاهده نبود و می‌توانیم این کار را در نمونه‌های کوچک ولی معرفِ ماده، به اندازه‌ی چند میکرومتر انجام دهیم.

پیشگامی با پرتوهای ایکس هم‌دوس

اگرچه محققان ایده XL-DOT را در سال ۲۰۱۹ مطرح کردند، اما پیاده‌سازی آن پنج سال به طول انجامید. یکی از چالش‌های اصلی، استخراج نقشه‌ی سه‌بعدی جهت‌گیری بلورها، استفاده از ترابایت‌ها داده‌ی خام بود که مستلزم الزامات آزمایشی پیچیده‌ای بود. این معمای ریاضی با توسعه‌ی یک الگوریتم بازسازی اختصاصی توسط آندریاس آپسرس، نویسنده‌ی اصلی این مقاله، در طول تحصیلات دکتری‌اش در PSI و با حمایت بنیاد ملی علوم سوئیس (SNSF) حل شد. محققان معتقدند که موفقیت آن‌ها در توسعه‌ی XL-DOT تا حدی ناشی از تعهد طولانی‌مدت به توسعه‌ی تخصص در زمینه‌ی پرتوهای ایکس هم‌دوس در PSI است. این امر منجر به کنترل و ثبات بی‌سابقه‌ای در خط پرتو پراش اشعه ایکس با زاویه کوچک هم‌دوس (cSAXS) شده است؛ که برای اندازه‌گیری‌های حساس بسیار حیاتی است. این حوزه پس از ارتقاء SLS 2.0 به سرعت رشد خواهد کرد: آپسرس می‌گوید: “هم‌دوسی جایی است که با این ارتقاء واقعاً به موفقیت دست خواهیم یافت. ما به سیگنال‌های بسیار ضعیف نگاه می‌کنیم، بنابراین با فوتون‌های هم‌دوس‌تر، سیگنال بیشتری خواهیم داشت و می‌توانیم به مواد دشوارتر یا وضوح فضایی بالاتر دست یابیم.”

ورود به میکروساختار مواد گوناگون

با توجه به ماهیت غیرمخرب XL-DOT، محققان پیش‌بینی می‌کنند که تحقیقات کاربردی در سیستم‌هایی مانند باتری‌ها و کاتالیزورها انجام شود. یوهانس ایلی، که سابقاً در cSAXS فعال بود و اکنون در دانشگاه آکسفورد مشغول به‌کار است و رهبری این مطالعه را بر عهده داشت، می‌گوید: “بدنه‌های کاتالیست و ذرات کاتد در باتری‌ها معمولاً اندازه‌ای بین ده تا پنجاه میکرومتر دارند، بنابراین این یک قدم منطقی بعدی است.” اما محققان تأکید می‌کنند که این روش جدید تنها برای کاتالیزورها مفید نیست. این روش برای همه‌ی انواع موادی که میکروساختارهای منظم دارند، چه بافت‌های زیستی و چه مواد پیشرفته برای فناوری اطلاعات یا ذخیره‌ی انرژی، کاربرد دارد. در واقع، انگیزه علمی تیم تحقیقاتی در بررسی سازمان‌دهی مغناطیسی سه‌بعدی مواد نهفته است. به‌عنوان مثال، چگونگی جهت‌گیری گشتاورهای مغناطیسی در مواد آنتی‌فرو مغناطیسی. در این مواد، گشتاورهای مغناطیسی با حرکت از یک اتم به اتم دیگر، در جهت‌های متناوب قرار می‌گیرند. این مواد، در فاصله‌ی دور، هیچ مغناطیس خالصی ندارند، اما در ساختار مغناطیسی خود، نظم محلی دارند. این ویژگی برای کاربردهای فناوری مانند پردازش داده سریع‌تر و کارآمدتر بسیار جذاب است. کلر دانلی، رهبر گروه در “مؤسسه ماکس پلانک” برای شیمی فیزیک جامدات در درسدن – که از دوران دکتری‌اش در گروه سیستم‌های مزوسکوپی، همکاری نزدیکی با تیم PSI داشته است – می‌گوید: “روش ما یکی از معدود راه‌ها برای بررسی این جهت‌گیری است.” در طول این کار دکتری، دانلی با همکاری همان تیم در PSI، روشی را برای انجام توموگرافی مغناطیسی با استفاده از پرتوهای ایکس قطبیده دایره‌ای ارائه کرد (در برابر XL-DOT که از پرتوهای ایکس قطبیده خطی استفاده می‌کند). این روش از آن زمان در شتاب‌دهنده‌های سراسر جهان پیاده‌سازی شده است. با ایجاد زیرساخت برای XL-DOT، تیم امیدوارند که این روش مشابه خواهرش که از پرتوهای ایکس قطبیده دایره‌ای استفاده می‌کند، به یک روش پراستفاده در شتاب‌دهنده‌ها تبدیل شود. با توجه به دامنه بسیار وسیع‌تری از نمونه‌هایی که XL-DOT با آن‌ها مرتبط است و اهمیت نظم ساختاری در عملکرد مواد، انتظار می‌رود تأثیر این روش جدید حتی بیشتر باشد. دانلی اضافه می‌کند: “حالا که ما بر بسیاری از چالش‌ها غلبه کرده‌ایم، دیگر خطوط بیم می‌توانند این تکنیک را پیاده‌سازی کنند و ما می‌توانیم به آن‌ها کمک کنیم.”