I materiali avanzati sono ingredienti vitali nei prodotti su cui facciamo affidamento come le batterie, lame del motore a reazione, Componenti stampati in 3D nelle auto. Scienziati e ingegneri utilizzano le informazioni sulla struttura e il movimento degli atomi in questi materiali per progettare componenti che rendano questi prodotti più affidabili, efficiente e sicuro da usare.

Oggi, ci sono limiti a quanto gli scienziati possono vedere su scala atomica in questi materiali, specialmente mentre sono in uso, e questo rende molto più difficile progettare nuovi componenti che siano esponenzialmente migliori di quelli che abbiamo oggi.

Per fornire i dati necessari per migliorare questi prodotti, un team di ingegneri e scienziati dell'Oak Ridge National Laboratory (ORNL) del Dipartimento dell'Energia ha sviluppato una nuova tecnica di diffrazione basata su fori stenopeici chiamata PIND. In un articolo pubblicato su Lettere di fisica applicata , hanno dimostrato che è possibile migliorare drasticamente l'ingrandimento e la risoluzione delle strutture in profondità all'interno di componenti ingegnerizzati con la diffrazione a foro stenopeico.

"In una prima per la diffrazione di neutroni a tempo di volo sullo strumento VULCAN, siamo stati in grado di aumentare la risoluzione di circa un ordine di grandezza con un foro stenopeico, " ha detto Ke An, uno scienziato di strumenti ORNL.

Il concetto è semplice. Proprio come i microscopi usano lenti per mettere a fuoco la luce per ingrandire un oggetto, un foro stenopeico o una fenditura perfettamente posizionati possono focalizzare i neutroni che si disperdono su un campione mentre passano attraverso. Questa piccola aggiunta allo strumento VULCAN presso la Spallation Neutron Source (SNS) di ORNL, accoppiato con l'aggiunta di un nuovo e migliorato rivelatore di elio-3, ha aumentato di otto volte la risoluzione spaziale dello strumento:da 2, 000 micron (µm), all'incirca lo spessore di una pasta, a circa 250 µm, che è circa la lunghezza di 30 cellule del sangue in linea retta.

"Non solo abbiamo dimostrato che è possibile migliorare drasticamente la risoluzione dei diffrattometri a neutroni con un foro stenopeico, ma crediamo che potrebbe essere possibile migliorare ulteriormente la risoluzione a circa 100 µm con rivelatori futuri, " disse Alexandru D. Stoica, uno scienziato di strumenti ORNL. "Aumenti di risoluzione come questo sono entusiasmanti perché aprono nuove possibilità per studi scientifici su materiali avanzati".

A differenza dei raggi X, i neutroni sono altamente penetranti e non distruttivi. Questo li rende una sonda ideale per lo studio di materiali di ingegneria avanzata e stampati in 3D, in tempo reale in condizioni operative realistiche. La capacità di VULCAN di sfruttare queste proprietà speciali lo rende un ottimo strumento per studiare i cambiamenti nella struttura molecolare; cambia da uno stato all'altro, come da solido a liquido (una trasformazione di fase); sollecitazioni interne causate dall'applicazione di una forza su un oggetto; e texture in materiali di ingegneria. Il team di ricerca dell'ORNL ha utilizzato VULCAN per studiare quest'ultimo in acciaio a basso tenore di carbonio saldato con un riempitivo metallico di nichel.

"Con questa nuova tecnica di diffrazione dei neutroni, siamo stati in grado di vedere la distribuzione di gruppi completi di cristalli, tutti rivolti nella stessa direzione, in modo più dettagliato che mai e senza danneggiarli nel processo, "An ha detto. "Siamo stati anche in grado di vedere come i diversi gruppi di cristalli hanno cambiato il loro orientamento in tempo reale quando la forza è stata applicata alla saldatura".

Il progetto è stato sostenuto dalla sovvenzione di ricerca e sviluppo diretta dal laboratorio (LDRD) dell'ORNL. Oltre a Stoica e An, Wei Wu dell'ORNL, Kevin Berry, Matthew Frost e Harley Skorpenske hanno contribuito al progetto.

"Andando avanti, stiamo mettendo in atto piani per sostituire tutti i rivelatori di VULCAN con il rivelatore nuovo e migliorato e per completare ulteriori ricerche per vedere quanto possiamo migliorare ulteriormente la risoluzione sui diffrattometri di neutroni con la tecnica PIND, "Un ha detto.