Mentre i medici usano i raggi X per vedere le ossa rotte all'interno dei nostri corpi, gli scienziati hanno sviluppato una nuova tecnica a raggi X per vedere all'interno di nanoparticelle continuamente impacchettate, noto anche come cereali, esaminare deformazioni e dislocazioni che ne influenzano le proprietà.

In un nuovo studio pubblicato venerdì scorso in Scienza , i ricercatori dell'Argonne National Laboratory del Dipartimento dell'Energia degli Stati Uniti (DOE) hanno utilizzato una tecnica di diffusione dei raggi X chiamata imaging di diffrazione coerente di Bragg per ricostruire in 3D la dimensione e la forma dei difetti del grano. Questi difetti creano imperfezioni nel reticolo degli atomi all'interno di un grano che possono dare origine a proprietà ed effetti materiali interessanti.

"Questa tecnica fornisce una sensibilità molto elevata agli spostamenti atomici, così come la capacità di studiare i materiali in una serie di diverse condizioni realistiche, come le alte temperature, " ha detto il fisico di Argonne Wonsuk Cha, un autore della carta.

"Se vuoi mappare l'interno del grano, per vedere la rete delle dislocazioni, questa è una tecnica entusiasmante, " ha aggiunto lo scienziato dei materiali di Argonne Andrew Ulvestad, un altro autore.

Negli ultimi dieci anni, gli scienziati avevano esaminato la struttura dei difetti delle nanoparticelle separate. Ma gli scienziati non avevano modo di osservare le distorsioni nel reticolo cristallino nei grani che formavano pellicole continue di materiale, come quelli che si trovano in alcune celle solari o in certi materiali catalitici.

Nell'imaging di diffrazione coerente di Bragg, gli scienziati brillano raggi X su un campione, che disperdono gli atomi nella struttura del materiale. Osservando i modelli di dispersione, gli scienziati possono ricostruire la composizione del materiale in 3-D. Con piccole nanoparticelle isolate, queste informazioni sono relativamente facili da raccogliere, ma per i film sottili ci sono ulteriori complicazioni. "È come cercare di capire dove si trova Paul McCartney nell'iconica foto di Abbey Road rispetto a cercare di capire dove si trova il sesto violinista in una grande orchestra, " ha detto Ulvestad.

La ricerca si è concentrata su un'area specifica tra le particelle nota come "confine di grano, " una regione che causa la maggior parte dei fenomeni materiali interessanti. "Il confine di grano può essere pensato come una linea di faglia in una placca tettonica, " Ha detto Ulvestad. "Regola molte attività sottostanti".

Ulvestad ha menzionato specificamente le celle solari a film sottile, una promettente tecnologia fotovoltaica, come un notevole esempio di un tipo di materiale tecnologicamente interessante che potrebbe trarre vantaggio dallo studio. "Di solito si tratta di materiali piuttosto complicati il ​​cui comportamento è in gran parte determinato dagli atomi che si trovano in prima linea, ' vicino ai bordi del grano, " Egli ha detto.

Le dislocazioni vicino ai bordi dei grani sono controllate dalla struttura del difetto nel materiale, e Ulvestad spera che, man mano che gli scienziati acquisiscono la capacità di controllare la sintesi e il posizionamento dei difetti, alla fine saranno anche in grado di controllare il comportamento dei materiali vicino al bordo grano.

Utilizzando i raggi X ad alta energia particolarmente penetranti prodotti dall'Advanced Photon Source di Argonne, i ricercatori sono stati in grado di osservare la deformazione del reticolo cristallino in tempo reale.

Un articolo basato sullo studio, "Imaging diffrattivo coerente di Bragg della dinamica dei difetti a grano singolo in film policristallini, " apparso online in Scienza il 19 maggio.