نقشه‌برداری نانومقیاس: راز معماری مواد پیشرفته!

تکنیک جدید تصویربرداری در منبع نور سوئیس

محققان تکنیک جدیدی را در منبع نور سوئیس (SLS) به نام توموگرافی دیچروئی خطی پرتو ایکس ابداع کرده‌اند که به بررسی جهت‌گیری اجزای سازنده یک ماده در مقیاس نانو و در سه‌بعد می‌پردازد. این تکنیک که ابتدا برای مطالعه یک کاتالیزور پلی‌کریستالی به کار گرفته شد، امکان تجسم دانه‌های بلوری، مرزهای دانه‌ها و نقص‌ها را فراهم می‌کند که عوامل کلیدی در تعیین عملکرد کاتالیزور هستند. فراتر از کاتالیز، این تکنیک بینش‌های جدیدی را در ساختار مواد عملکردی متنوع، از جمله آن‌هایی که در فناوری اطلاعات، ذخیره‌سازی انرژی و کاربردهای زیست‌پزشکی استفاده می‌شوند، ارائه می‌دهد. محققان روش خود را در نشریه Nature معرفی کرده‌اند.

ساختار میکرو و نانومواد عملکردی

اگر به ساختار میکرو یا نانو مواد عملکردی، چه طبیعی و چه ساخته دست انسان، نزدیک شوید، متوجه می‌شوید که این مواد از هزاران دامنه یا دانه هم‌راستا تشکیل شده‌اند که مناطق متمایزی هستند که در آن‌ها مولکول‌ها و اتم‌ها به صورت الگوهای تکراری چیده شده‌اند. چنین نظم محلی به‌طور جدایی‌ناپذیری با خواص ماده مرتبط است. اندازه، جهت‌گیری و توزیع دانه‌ها می‌توانند تفاوت بین یک آجر محکم و یک سنگ فرسوده را ایجاد کنند؛ این عوامل بر چقرمگی فلز، کارایی انتقال الکترون در نیمه‌هادی‌ها یا رسانایی حرارتی سرامیک‌ها تأثیر می‌گذارند. این ویژگی همچنین در مواد زیستی اهمیت دارد: به عنوان مثال، الیاف کلاژن از شبکه‌ای از فیبرها تشکیل شده‌اند و سازماندهی آن‌ها عملکرد بیومکانیکی بافت همبند را تعیین می‌کند. این دامنه‌ها معمولاً بسیار کوچک هستند: اندازه آن‌ها به ده‌ها نانومتر می‌رسد و ترتیب آن‌ها در سه بعد بر روی حجم‌های گسترده، تعیین‌کننده خواص ماده است.

تکنیک XL-DOT و کاربردهای آن

تا کنون، تکنیک‌های بررسی سازماندهی مواد در مقیاس نانو عمدتاً به دو بعد محدود بوده یا ماهیت تخریبی داشته‌اند. اما اکنون، با استفاده از پرتوهای ایکس تولید شده توسط منبع نور سوئیس SLS، تیمی از محققان از موسسه پل شرر (PSI)، دانشگاه ETH زوریخ، دانشگاه آکسفورد و موسسه ماکس پلانک برای فیزیک شیمیایی جامدات موفق به ایجاد یک تکنیک تصویربرداری برای دسترسی به این اطلاعات در سه بعد شده‌اند.

تکنیک آن‌ها به نام توموگرافی دیچروئی خطی پرتو ایکس یا به اختصار XL-DOT شناخته می‌شود. XL-DOT از پرتوهای ایکس قطبی‌شده منبع نور سوئیس SLS استفاده می‌کند تا بررسی کند که چگونه مواد، پرتوهای ایکس را بسته به جهت‌گیری دامنه‌های ساختاری درون خود به طور متفاوتی جذب می‌کنند. با تغییر قطبش پرتوهای ایکس و چرخاندن نمونه برای ثبت تصاویر از زوایای مختلف، این تکنیک نقشه‌ای سه‌بعدی ایجاد می‌کند که سازماندهی داخلی ماده را نشان می‌دهد.

نتایج و اهمیت تکنیک

تیم محققان روش خود را بر روی یک تکه کاتالیزور اکسید وانیادیوم با قطر حدود یک میکرون که در تولید اسید سولفوریک استفاده می‌شود، به کار بردند. در اینجا، آن‌ها توانستند جزئیات دقیقی از ساختار کاتالیزور، شامل دانه‌های بلوری، مرزهایی که دانه‌ها با یکدیگر ملاقات می‌کنند و تغییرات در جهت‌گیری بلوری را شناسایی کنند. آن‌ها همچنین نقص‌های توپولوژیکی در کاتالیزور را شناسایی کردند. چنین ویژگی‌هایی به‌طور مستقیم بر فعالیت و پایداری کاتالیزورها تأثیر می‌گذارد، بنابراین آگاهی از این ساختار برای بهینه‌سازی عملکرد بسیار مهم است.

به‌طور مهم، این روش دقت فضایی بالایی را به دست می‌آورد. زیرا پرتوهای ایکس دارای طول موج کوتاهی هستند، این روش می‌تواند ساختارهایی به اندازه ده‌ها نانومتر را شناسایی کند که با اندازه ویژگی‌هایی مانند دانه‌های بلوری هم‌راستا است. والریو اسکانیولی، دانشمند ارشد در سیستم‌های مزوسکوپیک، گروه مشترک بین PSI و ETH زوریخ می‌گوید: “دیچروئی خطی برای اندازه‌گیری آنیزوتروپی‌ها در مواد برای سال‌ها مورد استفاده قرار گرفته است، اما این اولین باری است که به سه بعد گسترش یافته است. ما نه تنها به درون نگاه می‌کنیم، بلکه با دقت نانو مقیاس هم این کار را انجام می‌دهیم.”

دسترسی به اطلاعات جدید با XL-DOT

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

رهبری با پرتوهای ایکس هم‌راستا

اگرچه محققان اولین بار 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 جهت‌گیری‌های بلوری از ترابایت داده‌های خام بود. 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 بر این باورند که موفقیت آنها در توسعه XL-DOT تا حدی به تعهد بلندمدت به توسعه تخصص در زمینه پرتوهای ایکس هم‌راستا در PSI برمی‌گردد که منجر به کنترل و پایداری بی‌سابقه‌ای در خط پرتو پراش ایکس‌ری کوچک‌زا (cSAXS) شده است؛ امری حیاتی برای اندازه‌گیری‌های حساس. این حوزه پس از ارتقاء SLS 2.0 قرار است به جلو پرش کند: “هم‌راستایی جایی است که ما واقعاً با این ارتقاء بهره‌برداری خواهیم کرد” می‌گوید آپسرس. “ما به سیگنال‌های بسیار ضعیفی نگاه می‌کنیم، بنابراین با فوتون‌های هم‌راستای بیشتر، سیگنال بیشتری خواهیم داشت و می‌توانیم به مواد دشوارتر یا وضوح فضایی بالاتر برویم.”

راهی به میکروساختار مواد متنوع

با توجه به ماهیت غیر مخرب XL-DOT، محققان پیش‌بینی می‌کنند که تحقیقات عملی در سیستم‌هایی مانند باتری‌ها و کاتالیست‌ها انجام شود. “بدن‌های کاتالیست و ذرات کاتد در باتری‌ها معمولاً بین ده تا پنجاه میکرومتر اندازه دارند، بنابراین این یک گام 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 دارد. با این حال، محققان تأکید می‌کنند که این تکنیک تنها برای کاتالیست‌ها مفید نیست. این روش برای تمام انواع موادی که میکروساختارهای منظمی دارند، چه بافت‌های زیستی و چه مواد پیشرفته برای فناوری اطلاعات یا ذخیره انرژی، مفید است. در واقع، برای تیم تحقیقاتی، انگیزه علمی در بررسی سازماندهی سه‌بعدی مغناطیسی مواد نهفته است، به عنوان مثال، جهت‌گیری لحظات مغناطیسی در مواد آنتی‌فرومغناطیسی. در اینجا، لحظات مغناطیسی در جهات متناوب هنگام حرکت از اتمی به اتم دیگر هم‌راستا می‌شوند. چنین موادی هنگام اندازه‌گیری از فاصله هیچ مغناطیس خالصی ندارند، اما در ساختار مغناطیسی خود نظم محلی دارند، که این واقعیت برای کاربردهای فناوری مانند پردازش داده‌های سریع‌تر و کارآمدتر جذاب است. “روش ما یکی از تنها راه‌ها برای بررسی این جهت‌گیری است” می‌گوید کلر دانلی، رهبر گروه موسسه ماکس پلانک برای شیمی فیزیک جامدات در درسدن که از زمان انجام کار دکتری‌اش در گروه سیستم‌های مزو مقیاس، همکاری قوی با تیم PSI حفظ کرده است. در طول این کار دکتری، دانلی به همراه همان تیم در PSI روشی را برای انجام توموگرافی مغناطیسی با استفاده از پرتوهای ایکس قطبیده دایره‌ای منتشر کرد (برخلاف XL-DOT که از پرتوهای ایکس خطی استفاده می‌کند). این روش از آن زمان در سینکروترون‌های سراسر جهان به کار گرفته شده است. با پایه‌گذاری XL-DOT، تیم امیدوار است که این تکنیک، به روشی مشابه خواهرش که از پرتوهای ایکس قطبیده دایره‌ای استفاده می‌کند، به یک تکنیک پرکاربرد در سینکروترون‌ها تبدیل شود. با توجه به دامنه وسیع‌تری از نمونه‌هایی که XL-DOT به آنها مربوط می‌شود و اهمیت نظم ساختاری در عملکرد مواد، تأثیر این روش جدید ممکن است حتی بیشتر از آنچه انتظار می‌رود باشد. “اکنون که بسیاری از چالش‌ها را پشت سر گذاشته‌ایم، سایر خطوط پرتو می‌توانند این تکنیک را پیاده‌سازی کنند و ما می‌توانیم به آنها در این زمینه کمک کنیم” دانلی اضافه می‌کند.