کشف معماری نانومقیاس مواد کاربردی

تحولی جدید در تصویربرداری نانو با استفاده از توموگرافی دی‌کرویک خطی اشعه ایکس

محققان در مرکز نور سوئیس (SLS) تکنیک جدیدی به نام توموگرافی دی‌کرویک خطی اشعه ایکس (XL-DOT) را ابداع کرده‌اند که به بررسی جهت‌گیری اجزای سازنده یک ماده در مقیاس نانو به صورت سه‌بعدی می‌پردازد. این تکنیک ابتدا برای مطالعه یک کاتالیزور چندبلوری به کار گرفته شد و امکان مشاهده دانه‌های بلوری، مرزهای دانه‌ها و نقص‌ها را فراهم می‌کند که از عوامل کلیدی تعیین‌کننده عملکرد کاتالیزور هستند. فراتر از کاتالیز، این تکنیک به بینش‌های جدیدی در ساختار مواد عملکردی متنوع، از جمله مواد مورد استفاده در فناوری اطلاعات، ذخیره‌سازی انرژی و کاربردهای بیومدیکال، دسترسی می‌دهد. محققان روش خود را در نشریه Nature ارائه کرده‌اند.

ساختار میکرو و نانو مواد عملکردی

اگر به ساختار میکرو یا نانو مواد عملکردی، چه طبیعی و چه ساخته دست بشر، نگاه کنید، متوجه می‌شوید که این مواد از هزاران و هزاران دامنه یا دانه همگن تشکیل شده‌اند. این مناطق مشخص، جایی هستند که مولکول‌ها و اتم‌ها در الگوهای تکراری چیده شده‌اند. چنین نظم محلی به طور جدایی‌ناپذیری با خواص ماده مرتبط است. اندازه، جهت‌گیری و توزیع دانه‌ها می‌تواند تفاوت بین یک آجر محکم و یک سنگ فرسوده را ایجاد کند؛ این عوامل بر چقرمگی فلز، کارایی انتقال الکترون در نیمه‌هادی‌ها یا هدایت حرارتی سرامیک‌ها تأثیر می‌گذارد. این ویژگی همچنین در مواد زیستی اهمیت دارد: به عنوان مثال، الیاف کلاژن از یک شبکه فیبری تشکیل شده‌اند و سازماندهی آن‌ها عملکرد بیومکانیکی بافت‌های همبند را تعیین می‌کند. این دامنه‌ها معمولاً بسیار کوچک هستند و اندازه آن‌ها به ده‌ها نانومتر می‌رسد، اما ترتیب آن‌ها در سه‌بعدی بر روی حجم‌های وسیع، خواص ماده را تعیین می‌کند.

تکنیک جدید و مزایای آن

تا به حال، تکنیک‌های بررسی سازماندهی مواد در مقیاس نانو عمدتاً به دو بعد محدود بوده یا ماهیت تخریبی داشته‌اند. اکنون، با استفاده از اشعه ایکس تولید شده توسط مرکز نور سوئیس (SLS)، یک تیم تحقیقاتی مشترک از مؤسسه پل شرر (PSI)، دانشگاه ETH زوریخ، دانشگاه آکسفورد و مؤسسه ماکس پلانک برای شیمی فیزیک جامدات موفق به ایجاد یک تکنیک تصویربرداری برای دسترسی به این اطلاعات در سه بعد شده‌اند.

تکنیک آن‌ها به نام توموگرافی دی‌کرویک خطی اشعه ایکس، یا به اختصار XL-DOT شناخته می‌شود. XL-DOT از اشعه ایکس قطبی‌شده مرکز نور سوئیس (SLS) استفاده می‌کند تا بررسی کند که چگونه مواد اشعه ایکس را به طور متفاوتی جذب می‌کنند، بسته به جهت‌گیری دامنه‌های ساختاری درون آن‌ها. با تغییر قطبش اشعه ایکس و چرخاندن نمونه برای ثبت تصاویر از زوایای مختلف، این تکنیک یک نقشه سه‌بعدی از سازماندهی داخلی ماده را ایجاد می‌کند.

مطالعه کاتالیزور و اهمیت آن

تیم تحقیقاتی روش خود را بر روی یک کاتالیزور اکسید وانادیوم به قطر حدود یک میکرون که در تولید اسید سولفوریک استفاده می‌شود، به کار بردند. در اینجا، آن‌ها توانستند جزئیات ریز در ساختار کاتالیزور را شناسایی کنند، از جمله دانه‌های بلوری، مرزهایی که دانه‌ها به هم می‌رسند و تغییرات در جهت‌گیری بلور. آن‌ها همچنین نقص‌های توپولوژیکی در کاتالیزور را شناسایی 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 به طور قابل توجهی به دقت فضایی بالایی دست می‌یابد. به دلیل طول موج کوتاه اشعه ایکس، این روش می‌تواند ساختارهایی به اندازه تنها ده‌ها نانومتر را شناسایی کند که با اندازه ویژگی‌هایی مانند دانه‌های بلوری هم‌راستا است.

والریو اسکانیولی، دانشمند ارشد در سیستم‌های مزوسکوپی، یک گروه مشترک بین PSI و ETH زوریخ، می‌گوید: “دی‌کروئیسم خطی برای اندازه‌گیری آنیزوتروپی‌ها در مواد برای سال‌ها استفاده شده است، اما این اولین بار است که به سه بعد گسترش یافته است. ما نه تنها به درون نگاه می‌کنیم، بلکه با دقت نانو مقیاس نیز این کار را انجام می‌دهیم.”

دست‌یابی به اطلاعات جدید با XL-DOT

این بدان معناست که اکنون به اطلاعاتی دسترسی داریم که قبلاً قابل مشاهده نبود و می‌توانیم این کار را در نمونه‌های کوچک اما نماینده، به اندازه چند میکرومتر انجام دهیم.

پیشگام با پرتوهای ایکس هم‌دوس

اگرچه محققان ایده XL-DOT را در سال ۲۰۱۹ مطرح کردند، اما پیاده‌سازی آن پنج سال دیگر طول کشید. یکی از موانع اصلی استخراج نقشه سه‌بعدی از جهت‌گیری بلورها، استفاده از ترابایت داده‌های خام بود که نیاز به الزامات آزمایشی پیچیده داشت. این معمای ریاضی با توسعه یک الگوریتم بازسازی اختصاصی توسط آندریاس آپسرس، نویسنده اول این مطالعه، در حین تحصیلات دکتری‌اش در PSI و با حمایت بنیاد ملی علوم سوئیس (SNSF) حل شد. محققان معتقدند که موفقیت آن‌ها در توسعه XL-DOT تا حدی به تعهد بلندمدت به توسعه تخصص در زمینه پرتوهای ایکس هم‌دوس در PSI برمی‌گردد که منجر به کنترل و ثبات بی‌سابقه در خط پرتو پراش ایکس‌ری با زاویه کوچک هم‌دوس (cSAXS) شده است؛ امری که برای اندازه‌گیری‌های حساس بسیار حیاتی است. این حوزه پس از ارتقاء SLS 2.0 به سرعت پیشرفت خواهد کرد: “هم‌دوسی جایی است که با این ارتقاء واقعاً به دستاورد خواهیم رسید”، می‌گوید آپسرس. “ما به سیگنال‌های بسیار ضعیف نگاه می‌کنیم، بنابراین با فوتون‌های هم‌دوس بیشتر، سیگنال بیشتری خواهیم داشت و می‌توانیم به مواد دشوارتر یا وضوح فضایی بالاتر برویم.”

ورود به میکروساختار مواد متنوع

با توجه به ماهیت غیر مخرب XL-DOT، محققان پیش‌بینی می‌کنند که تحقیقات عملی در سیستم‌هایی مانند باتری‌ها و کاتالیزورها انجام شود. “بدن‌های کاتالیست و ذرات کاتد در باتری‌ها معمولاً بین ده تا پنجاه میکرومتر اندازه دارند، بنابراین این یک قدم منطقی بعدی است”، می‌گوید یوهانس ایلی، که قبلاً در cSAXS بود و اکنون در دانشگاه آکسفورد مشغول به کار است و رهبری این مطالعه را بر عهده داشت. اما محققان تأکید می‌کنند که این تکنیک جدید تنها برای کاتالیزورها مفید نیست. این روش برای همه انواع موادی که میکروساختارهای منظم دارند، چه بافت‌های زیستی و چه مواد پیشرفته برای فناوری اطلاعات یا ذخیره انرژی، کاربرد دارد. در واقع، انگیزه علمی تیم تحقیقاتی در بررسی سازماندهی مغناطیسی سه‌بعدی مواد نهفته است. به عنوان مثال، جهت‌گیری مومنت‌های مغناطیسی در مواد آنتی‌فرومغناطیسی. در اینجا، مومنت‌های مغناطیسی در جهت‌های متناوب هنگام حرکت از اتمی به اتم دیگر هم‌راستا می‌شوند. چنین موادی در هنگام اندازه‌گیری در فاصله، هیچ مغناطیس خالصی را حفظ نمی‌کنند، اما در ساختار مغناطیسی خود نظم محلی دارند، که این واقعیت برای کاربردهای فناوری مانند پردازش داده سریع‌تر و کارآمدتر جذاب است. “روش ما یکی از تنها راه‌ها برای بررسی این جهت‌گیری است”، می‌گوید کلر دانلی، رهبر گروه در موسسه ماکس پلانک برای شیمی فیزیک جامدات در درسدن که از زمان انجام کار دکتری‌اش در گروه سیستم‌های مزوسکوپی، همکاری قوی با تیم PSI داشته است. در حین این کار دکتری، دانلی به همراه همان تیم در PSI روشی برای انجام توموگرافی مغناطیسی با استفاده از پرتوهای ایکس قطبیده دایره‌ای منتشر کرد (در مقابل XL-DOT که از پرتوهای ایکس قطبیده خطی استفاده می‌کند). این روش از آن زمان در سینکروترون‌های سراسر جهان پیاده‌سازی شده است. با ایجاد زیرساخت برای XL-DOT، تیم امیدوار است که این تکنیک به طور مشابه با خواهرش که از پرتوهای ایکس قطبیده دایره‌ای استفاده می‌کند، به یک روش پرکاربرد در سینکروترون‌ها تبدیل شود. با توجه به دامنه بسیار وسیع‌تری از نمونه‌هایی که XL-DOT به آن‌ها مرتبط است و اهمیت نظم ساختاری در عملکرد مواد، انتظار می‌رود تأثیر این روش جدید حتی بیشتر باشد. “اکنون که بسیاری از چالش‌ها را پشت سر گذاشته‌ایم، سایر خطوط پرتو می‌توانند این تکنیک را پیاده‌سازی کنند و ما می‌توانیم به آن‌ها کمک کنیم”، اضافه می‌کند دانلی.