Per la prima volta, i ricercatori hanno catturato le immagini della tomografia a neutroni in circa un secondo, quasi un ordine di grandezza più veloce dei tentativi precedentemente riportati. Fino a poco tempo fa, i lunghi tempi di acquisizione delle immagini sono stati il ​​principale ostacolo all'utilizzo di questa tecnica non invasiva per studiare processi 3D dinamici come lo scambio di acqua tra radici e suolo.

"La capacità di acquisire immagini così rapidamente ci consente di catturare, con dettagli inediti, i processi veloci coinvolti quando le radici assorbono acqua e altri nutrienti dal suolo, "ha detto Christian Tötzke, che ha guidato il gruppo di ricerca dell'Università di Potsdam. "Una migliore comprensione di queste interazioni radice-suolo potrebbe aiutare a ottimizzare l'efficienza dell'uso dell'acqua e la produzione delle colture, che potrebbe aiutare a soddisfare le maggiori richieste di una popolazione mondiale in aumento e di risorse limitate".

Nella rivista The Optical Society (OSA) Ottica Express , un gruppo multi-istituzionale di ricercatori descrive come sono riusciti a ottenere tempi di imaging record per la tomografia neutronica. La ricerca fa parte di uno sforzo continuo per studiare l'influenza significativa che le radici hanno sulle proprietà fisiche e chimiche del suolo circostante.

"Poiché i neutroni sono altamente sensibili all'idrogeno, compresi i composti contenenti idrogeno come l'acqua, l'imaging di neutroni ad alta velocità può essere utilizzato per visualizzare le radici delle piante e contemporaneamente mappare la mutevole distribuzione dell'acqua nel suolo, " ha detto Tötzke. "Potrebbe anche essere usato per studiare altri processi di trasporto dinamico come il trasferimento di fluidi in sistemi di materiali porosi artificiali o naturali".

Per esempio, La tomografia neutronica ad alta velocità potrebbe rivelare nuove intuizioni sulle dinamiche che si verificano durante la fratturazione idraulica ed essere utilizzata per studiare il comportamento del litio all'interno delle batterie per aumentarne la durata e la sicurezza.

Catturare le interazioni radice-suolo

Il modo in cui le piante assorbono acqua e sostanze nutritive dal suolo dipende fortemente dalle proprietà di trasporto del suolo vicino alle radici, una zona conosciuta come la rizosfera. Una migliore comprensione delle interazioni radice-suolo richiede agli scienziati di saperne di più su come i cambiamenti strutturali e biochimici nella rizosfera influenzano il modo in cui l'acqua e i nutrienti scorrono nelle radici.

L'imaging di neutroni è ideale per questa applicazione perché quando i neutroni interagiscono con atomi come l'idrogeno e il litio, diventano molto visibili mentre metalli come alluminio e titanio sono per lo più trasparenti. Questo approccio di imaging distingue anche gli isotopi di idrogeno, consentendo di utilizzare come agente di contrasto una molecola d'acqua isotopica più pesante nota come acqua deuterata. Questo tipo di acqua è anche ben tollerato dalle piante.

Però, la velocità di acquisizione relativamente lenta dell'imaging di neutroni ha reso difficile l'uso per studi 3D risolti nel tempo di processi veloci come l'assorbimento d'acqua. Una sorgente di neutroni disponibile presso l'impianto di imaging NeXT-Grenoble presso l'Istituto Laue-Langevin, aperto di recente, può fornire la potenza necessaria per l'imaging di neutroni più veloce.

Sviluppo di una configurazione di imaging rapida

"NeXT-Grenoble ha il flusso di neutroni freddi più intenso al mondo per scopi di imaging, ", ha detto Tötzke. "Tuttavia, l'utilizzo di questo alto flusso ci ha richiesto di ottimizzare i parametri di acquisizione, che ha sfidato i limiti della tecnologia disponibile."

I ricercatori hanno sviluppato una configurazione di imaging per l'imaging veloce che includeva uno schermo scintillatore altamente efficiente che converte i neutroni in luce visibile e una fotocamera scientifica CMOS con un frame rate elevato. Hanno usato questa configurazione per studiare l'assorbimento di acqua del sistema radicale di una pianta di lupino che è stato ruotato a una velocità costante mentre le immagini sono state scattate continuamente.

"I dati che abbiamo acquisito hanno superato le aspettative non solo in termini di velocità di acquisizione, ma anche di rapporto segnale-rumore e risoluzione spaziale complessiva, dimostrando che questo approccio era perfettamente adatto per studiare come il suolo e l'acqua interagiscono con le radici, " ha spiegato Totzke.

Ora che i ricercatori hanno dimostrato la fattibilità tecnica della tomografia a neutroni veloci, hanno in programma di progettare fotocamere più veloci e migliori fasi di rotazione specificamente per questa applicazione. Vogliono anche provare a regolare il flusso di neutroni per spingere ulteriormente la risoluzione temporale di questa tecnica. La configurazione dell'imaging rapido sarà inoltre incorporata nello strumento NeXT a Grenoble in modo che altri scienziati possano utilizzarlo per studiare i processi di trasporto veloce.