La capacità di vedere direttamente il tessuto atomico dei materiali fornisce informazioni fondamentali per accelerare la progettazione e migliorare le prestazioni delle tecnologie future. Visualizzare nello spazio reale i comportamenti e le dinamiche dei materiali richiede sonde potenti e strumentazione avanzata.

La costruzione di VENUS è iniziata, uno strumento di imaging neutronico all'avanguardia, presso la Spallation Neutron Source presso l'Oak Ridge National Laboratory del Department of Energy. Questo nuovo strumento fornirà una piattaforma per studiare in tempo reale la composizione e le prestazioni di un'ampia gamma di materiali funzionali in ambienti diversi.

VENUS beneficerà diverse aree di ricerca, compreso lo sviluppo di materiali legati all'energia (ad es. batterie, combustibili nucleari, biocarburanti); materiali di ingegneria avanzata (ad es. leghe prodotte in modo additivo, alluminio e acciaio, fibre di carbonio, calcestruzzo, bicchiere); e studi di materiali archeologici e naturali, fornendo approfondimenti sui processi geologici, biologia e fisiologia vegetale.

Accoppiato con SNS, la più potente sorgente di neutroni al mondo basata su acceleratori pulsati, VENUS sarà l'unica piattaforma aperta per strutture di ricerca negli Stati Uniti a fornire funzionalità di imaging dei neutroni del tempo di volo agli utenti del mondo accademico e industriale.

I neutroni giocano un ruolo importante nella nostra comprensione del mondo materiale. Gli scienziati li usano per studiare la struttura della materia, dal banco alla scala atomica, perché i neutroni penetrano in profondità, non portare alcun addebito, e non sono distruttivi, rendendoli adatti allo studio, Per esempio, strutture biologiche, sollecitazioni e difetti del metallo, e comportamento magnetico nei materiali quantistici.

Generalmente, mentre i neutroni si disperdono, o "rimbalzare" sugli atomi in un materiale, rivelano informazioni sulla posizione e il comportamento di un atomo. imaging di neutroni, d'altra parte, misure nella trasmissione, quando i neutroni passano attraverso un materiale, per produrre una radiografia di neutroni, molto simile a una radiografia clinica.

"L'imaging neutronico riguarda il contrasto:vedere qualcosa dietro qualcos'altro o vedere la differenza tra un lato del campione e l'altro, " ha detto la scienziata degli strumenti ORNL Hassina Bilheux, uno sviluppatore principale nel progetto VENUS. "Per esempio, se vuoi vedere il litio mentre si muove attraverso la batteria, è necessario il contrasto per isolare il segnale proveniente dagli ioni di litio."

La costruzione della linea di luce VENUS presso SNS sfrutterà la sorgente di neutroni basata sull'acceleratore della struttura e fornirà tecniche di imaging avanzate che integrano quelle attualmente disponibili presso la sorgente di neutroni allo stato stazionario del laboratorio, il reattore isotopico ad alto flusso. L'acceleratore a sorgente pulsata SNS consente la tecnica del tempo di volo, che utilizza neutroni con data e ora che possono essere regolati e preselezionati in una gamma di energie. La tecnica fornisce il contrasto sintonizzabile necessario per rivelare informazioni strutturali con neutroni a bassa energia utilizzando un approccio chiamato imaging di Bragg-edge. Individua inoltre elementi specifici all'interno di un campione utilizzando neutroni ad alta energia con imaging a risonanza per comprendere meglio le proprietà funzionali e i comportamenti del materiale.

"Per esempio, distinguere tra alcuni elementi pesanti come l'europio, tantalio, gadolinio, e uranio, ci vogliono neutroni di energia più alta, che SNS fornisce, " ha detto Bilheux. "Misurare con VENUS ci fornirà mappe tridimensionali che ci mostrano dove si trova un elemento pesante all'interno di un campione, e saremo in grado di passare da un elemento pesante all'altro. Tale capacità sarà incredibilmente vantaggiosa per ottimizzare l'efficienza di nuovi materiali nucleari, che è una priorità assoluta per il DOE."

VENUS è sulla buona strada per essere completato nel 2022 e dovrebbe essere pronto per gli utenti scientifici entro il 2023. La linea di luce garantirà che gli Stati Uniti rimangano competitivi con le fonti di spallazione internazionali che stanno già costruendo o attualmente gestiscono strumenti di imaging avanzati.

Per rispettare la timeline del 2023, gli sviluppatori stanno utilizzando una parte del tempo del fascio sul diffrattometro SNAP per sviluppare software di imaging e formare la comunità di utenti prima del lancio di VENUS. È inoltre in corso la progettazione dello strumento e dei suoi componenti principali.

"VENUS ci consentirà non solo di raccogliere informazioni sulla struttura di un materiale, ma anche su come la struttura cambia durante il carico applicato come calore o pressione, " disse Bilheux. "Saremo in grado di fare più esperimenti e ottenere risultati più rapidi, il tutto senza dover utilizzare più strumenti di imaging."

SNS è una struttura per gli utenti dell'Office of Science del DOE. UT-Battelle LLC gestisce ORNL per l'Office of Science del DOE. L'Office of Science del Dipartimento dell'Energia degli Stati Uniti è il più grande sostenitore della ricerca di base nelle scienze fisiche negli Stati Uniti e sta lavorando per affrontare alcune delle sfide più urgenti del nostro tempo.