نوآوری سوییسی، دنیای مواد رو زیر ذره‌بین برد: XL-DOT سه بعدی شد!

یه نوآوری تصویری‌ تو منبع نور سوییس

محقق‌ها تو منبع نور سوییس (SLS) یه روش جدید رو پیدا کردن به اسم توموگرافی دی‌کرویی خطی پرتو ایکس. این روش کمک می‌کنه تا جهت‌گیری اجزای تشکیل‌دهنده‌ی یه ماده رو تو مقیاس نانو و سه‌بعدی بررسی کنیم. اولش این روش رو رو یه کاتالیزور پلی‌کریستالی امتحان کردن و نتایج خوبی گرفتن. با این روش می‌شه دانه‌های بلوری، مرزهای بین دانه‌ها و نقص‌ها رو دید که اینا عوامل خیلی مهمی تو تعیین کارایی کاتالیزور هستن. این روش، علاوه بر کاتالیزور، اطلاعات جدیدی رو در مورد ساختار مواد مختلفی که تو فناوری اطلاعات، ذخیره‌ی انرژی و کاربردهای زیست‌پزشکی استفاده می‌شن، ارائه می‌ده. این محقق‌ها دستاوردشون رو تو مجله‌ی Nature معرفی کردن.

ساختار میکرو و نانومواد کارآمد

اگه به ساختار ریز یا نانوی مواد کارآمد، چه طبیعی و چه مصنوعی، دقت کنید، می‌بینید که این مواد از هزاران دامنه‌ی هم‌جهت یا دانه تشکیل شدن. این دامنه‌ها مناطقی هستن که مولکول‌ها و اتم‌ها توشون به شکل‌های تکراری کنار هم چیده شدن. این نظم محلی، ارتباط نزدیکی با خواص ماده داره. اندازه‌ی، جهت‌گیری و پخش دانه‌ها می‌تونن تفاوت بین یه آجر محکم و یه سنگ فرسوده رو نشون بدن؛ این عوامل رو استحکام فلز، بازده انتقال الکترون تو نیمه‌هادی‌ها یا رسانایی حرارتی سرامیک‌ها تأثیر می‌ذارن. این ویژگی تو مواد زیستی هم مهمه: مثلاً الیاف کلاژن از یه شبکه‌ی فیبری تشکیل شدن و چیدمان اون‌ها عملکرد بیومکانیکی بافت همبند رو تعیین می‌کنه. این دامنه‌ها معمولاً خیلی کوچیکن: اندازه‌شون به ده‌ها نانومتر می‌رسه و چیدمانشون تو سه بعد تو حجم‌های بزرگ، تعیین‌کننده‌ی خواص ماده‌ست.

روش XL-DOT و کاربردهاش

تا الان، روش‌های بررسی چیدمان مواد تو مقیاس نانو، یا به دو بعد محدود بودن یا ساختار ماده رو خراب می‌کردن. ولی حالا، با استفاده از پرتوهای ایکس تولید شده توسط منبع نور سوییس SLS، یه گروه از محقق‌ها از موسسه پل شرر (PSI)، دانشگاه ETH زوریخ، دانشگاه آکسفورد و موسسه‌ی ماکس پلانک برای فیزیک جامدات تونستن یه روش تصویربرداری بسازن که اطلاعات رو تو سه بعد به دست میاره.

روش جدیدشون اسمش توموگرافی دی‌کرویی خطی پرتو ایکس یا به اختصار XL-DOT هست. XL-DOT از پرتوهای ایکس قطبیده‌ی منبع نور سوییس SLS استفاده می‌کنه تا ببینه مواد چطوری پرتوهای ایکس رو، بسته به جهت‌گیری دامنه‌های ساختاریشون، جذب می‌کنن. با تغییر قطبش پرتوهای ایکس و چرخوندن نمونه برای گرفتن عکس از زوایای مختلف، این روش یه نقشه‌ی سه‌بعدی می‌سازه که چیدمان داخلی ماده رو نشون می‌ده.

نتایج و اهمیت روش

گروه محقق‌ها روششون رو رو یه تیکه از کاتالیزور اکسید وانادیوم که قطرش حدود یه میکرونه و تو تولید اسید سولفوریک استفاده می‌شه، آزمایش کردن. تو این آزمایش، تونستن جزئیات دقیق ساختار کاتالیزور رو ببینن، از جمله دانه‌های بلوری، مرزهایی که دانه‌ها به هم می‌رسن و تغییرات جهت‌گیری بلوری. اون‌ها همچنین نقص‌های توپولوژیکی تو کاتالیزور رو شناسایی کردن. این ویژگی‌ها، مستقیماً رو فعالیت و پایداری کاتالیزورها تأثیر می‌ذارن، پس دونستن این ساختارها برای بهتر کردن عملکرد خیلی مهمه.

نکته‌ی مهم اینه که این روش دقت فضایی بالایی داره. چون پرتوهای ایکس طول موج کوتاهی دارن، این روش می‌تونه ساختارهایی به کوچکی ده‌ها نانومتر رو شناسایی کنه، که با اندازه‌ی ویژگی‌هایی مثل دانه‌های بلوری هم‌خوانی داره. والریو اسکانیولی، دانشمند ارشد تو سیستم‌های مزوسکوپیک، یه گروه مشترک بین PSI و ETH زوریخ می‌گه: «دی‌کرویی خطی سال‌هاست برای اندازه‌گیری آنیزوتروپی‌ها تو مواد استفاده می‌شه، ولی این اولین باره که به سه بعد گسترش پیدا کرده. ما نه تنها به درون نگاه می‌کنیم، بلکه این کار رو با دقت نانو مقیاس انجام می‌دیم.»

به دست آوردن اطلاعات جدید با XL-DOT

این یعنی ما الان به اطلاعاتی دسترسی داریم که قبلاً نمی‌شد دیدشون و می‌تونیم این کار رو تو نمونه‌های کوچیک اما نماینده‌، به اندازه‌ی چند میکرومتر انجام بدیم.

رهبری با پرتوهای ایکس هم‌راستا

گرچه محقق‌ها اولین بار ایده‌ی XL-DOT رو تو سال 2019 مطرح کردن، ولی اجرا کردنش پنج سال طول کشید. یکی از مشکلات اصلی، استخراج نقشه‌ی سه‌بعدی جهت‌گیری‌های بلوری از حجم زیادی از داده‌های خام بود. این مشکل ریاضی با توسعه‌ی یه الگوریتم بازسازی اختصاصی توسط آندریاس آپسرس، نویسنده‌ی اول این مطالعه، تو دوران دکتراش تو PSI و با حمایت بنیاد ملی علوم سوییس (SNSF) حل شد. محقق‌ها معتقدن که موفقیتشون تو توسعه‌ی XL-DOT تا حدی به تعهد بلندمدت به توسعه‌ی تخصص تو زمینه‌ی پرتوهای ایکس هم‌راستا تو PSI برمی‌گرده که منجر به کنترل و پایداری بی‌سابقه‌ای تو خط پرتو پراش اشعه ایکس زاویه‌ی کوچک (cSAXS) شده؛ این موضوع برای اندازه‌گیری‌های حساس حیاتیه. این حوزه بعد از ارتقای SLS 2.0 پیشرفت زیادی خواهد کرد: آپسرس می‌گه: «هم‌راستایی جاییه که ما واقعاً با این ارتقا استفاده‌ی بهینه رو خواهیم داشت. ما به سیگنال‌های خیلی ضعیفی نگاه می‌کنیم، پس با فوتون‌های هم‌راستای بیشتر، سیگنال بیشتری خواهیم داشت و می‌تونیم به مواد سخت‌تر یا وضوح فضایی بالاتری برسیم.»

مسیر رسیدن به میکروساختار مواد مختلف

با توجه به غیرمخرب بودن XL-DOT، محقق‌ها پیش‌بینی می‌کنن که تحقیقات عملی تو سیستم‌هایی مثل باتری‌ها و کاتالیست‌ها انجام بشه. یوهانس ایلی که قبلاً تو cSAXS کار می‌کرد و الان تو دانشگاه آکسفورد مشغول به کاره و رهبری این مطالعه رو بر عهده داره، می‌گه: «بدنه‌های کاتالیست و ذرات کاتد تو باتری‌ها معمولاً بین ده تا پنجاه میکرومتر اندازه دارن، پس این یه گام منطقی بعدیه.» با این حال، محقق‌ها تأکید می‌کنن که این روش فقط برای کاتالیست‌ها مفید نیست. این روش برای همه‌ی انواع موادی که میکروساختارهای منظمی دارن، چه بافت‌های زیستی و چه مواد پیشرفته برای فناوری اطلاعات یا ذخیره‌ی انرژی، مفیده. در واقع، برای تیم تحقیقاتی، انگیزه‌ی علمی تو بررسی چیدمان سه‌بعدی مغناطیسی مواد وجود داره، به‌عنوان مثال، جهت‌گیری گشتاورهای مغناطیسی تو مواد آنتی‌فرومغناطیسی. تو این مواد، گشتاورهای مغناطیسی وقتی از یه اتم به اتم دیگه می‌ریم، تو جهت‌های مخالف هم‌راستا می‌شن. این مواد وقتی از یه فاصله اندازه‌گیری می‌شن، هیچ مغناطیس خالصی ندارن، ولی تو ساختار مغناطیسیشون نظم محلی وجود داره که برای کاربردهای فناوری مثل پردازش داده‌های سریع‌تر و کارآمدتر جذابه. کلر دانلی، رهبر گروه موسسه‌ی ماکس پلانک برای شیمی فیزیک جامدات تو درسدن، که از زمان انجام دکتریاش تو گروه سیستم‌های مزو مقیاس همکاری نزدیکی با تیم PSI داشته، می‌گه: «روش ما یکی از تنها راه‌ها برای بررسی این جهت‌گیریه.» تو طول این کار دکتری، دانلی همراه با همین تیم تو PSI روشی رو برای انجام توموگرافی مغناطیسی با استفاده از پرتوهای ایکس قطبیده‌ی دایره‌ای منتشر کرد (برخلاف XL-DOT که از پرتوهای ایکس خطی استفاده می‌کنه). این روش از اون موقع تو سینکروترون‌های سراسر دنیا استفاده شده. با پایه‌گذاری XL-DOT، تیم امیدوارِ که این روش، به یه روش پرکاربرد تو سینکروترون‌ها تبدیل بشه، مثل خواهرش که از پرتوهای ایکس قطبیده‌ی دایره‌ای استفاده می‌کنه. با توجه به طیف وسیع‌تری از نمونه‌هایی که XL-DOT بهشون ربط داره و اهمیت نظم ساختاری تو عملکرد مواد، تأثیر این روش جدید شاید حتی بیشتر از اون چیزی باشه که انتظار می‌ره. دانلی اضافه می‌کنه: «الان که خیلی از چالش‌ها رو پشت سر گذاشتیم، بقیه‌ی خطوط پرتو هم می‌تونن این روش رو اجرا کنن و ما می‌تونیم تو این زمینه بهشون کمک کنیم.»