Многопрофильная группа ученых использовала линию луча 9.0.1 в усовершенствованном источнике света, чтобы впервые выполнить рентгеновскую дифракционную визуализацию аэрогеля с высоким разрешением, выявив его наноразмерную трехмерную объемную решетчатую структуру. вплоть до характеристик, измеряемых в нанометрах, миллиардных долях метра.
Аэрогели, иногда называемые «замороженным дымом» или «туманом Сан-Франциско», представляют собой наноразмерные пены: твердые материалы, чья губчатая структура пронизана порами размером до нанометров в поперечнике и чья прочность удивительна, учитывая их низкую плотность.. Многие пористые материалы обладают исключительными свойствами изоляторов, фильтров и катализаторов; они используются для производства чистого топлива, для изоляции окон и даже одежды, для изучения просачивания нефти через горные породы, в качестве систем доставки лекарств и даже для смягчения последствий захвата фрагментов кометы, летящей с высокой скоростью, в космическом пространстве.
«Наименьший размер пор является ключом к прочности пористых материалов и тому, что они могут делать», - говорит Стефано Марчесини, ученый по БАС из лаборатории Беркли, который руководил исследованием. «Видеть внутри объемных пористых материалов с таким разрешением еще никогда не удавалось, что делает это одним из первых применений рентгеновской дифракционной микроскопии для решения реальной проблемы».
Члены группы из Ливерморской национальной лаборатории Лоуренса, Калифорнийского университета в Дэвисе, Университета штата Аризона, Аргоннской национальной лаборатории и лаборатории Беркли выполнили рентгеновскую дифракционную визуализацию и опубликовали свои результаты в Интернете в Physical Review Letters.
Видеть внутрь пены
Один из способов изучения аэрогелей и других нанопен - это электронная микроскопия, которая может отображать только тонкие двумерные срезы через пористую структуру материала. Другой метод - это прямая рентгеновская микроскопия с использованием зональных пластин в качестве «линз»; микроскопия может проникнуть в образец, но с трудом поддерживает разрешение на разных глубинах материала. Малоугловое рассеяние рентгеновских лучей (SAXS) также может собирать ограниченную информацию о структуре мелкодисперсных аэрогелей, но SAXS не может предоставить полную трехмерную информацию. Ни один из этих методов не может зафиксировать трехмерную внутреннюю структуру образцов нанопены, измеренную в микрометрах, в несколько миллионных долей метра в поперечнике.
Рентгеновская дифракция подходит к проблеме по-другому. Подобный лазеру рентгеновский луч проходит через весь образец и дифрагирует на экране ПЗС-детектора; дифракционные картины многократно сохраняются при перемещении и вращении образца. Типичная серия требует примерно 150 просмотров всего.
Отдельные дифракционные картины затем обрабатываются компьютером. То, как фотоны в луче перенаправляются от каждого компонента структуры, различно для каждой ориентации, и сравнение их интенсивностей служит для точного позиционирования этого компонента в трехмерном пространстве. Требуются тысячи итераций - в настоящем исследовании член команды Антон Барти из Ливермора руководил решением почти 100 миллионов измеренных интенсивностей, в отличие от 100 тысяч или около того, типичных, скажем, для кристаллографии белков, - но конечный результат - 3 ‑D изображение крошечного образца с разрешением в нанометровом масштабе.
Пенообразные конструкции описываются с точки зрения соединяющихся решетчатых балок и узлов, в которых они пересекаются. Эти элементы стали отчетливо видны на реконструированных трехмерных изображениях аэрогеля, использованного при визуализации в ALS, который был сделан из этоксида тантала (Ta2O5), керамического материала, предложенного для покрытия капсул изотопов водорода для экспериментов по термоядерному синтезу с инерционным удержанием. преследовали в Ливерморе.
«Ожидается, что прочность и жесткость пеноподобных структур будет зависеть от их плотности, связывая плотность отдельных элементов, таких как балки и узлы, с общей плотностью», - говорит Марчесини. «Но при плотности менее 10 процентов прочность аэрогелей, подобных тем, которые мы тестировали, - при плотности порядка 1 процента - на порядки меньше, чем ожидалось».
Из теорий, пытающихся объяснить это явление, одной из них является модель «просачивания», в которой фрагменты отделяются от несущей конструкции и добавляют массу, не увеличивая прочность. Альтернативная модель «неоднородностей» предполагает, что структура все больше и больше пронизана дефектами, такими как дыры микронного размера и более легко изгибается.
Третья теория - это модель «агрегации кластеров, ограниченной диффузией»: накапливаются капли материала, соединенные тонкими связями, а не прочными балками между узлами.
«Высокое разрешение, которого мы достигли, позволило нам увидеть, какая из этих моделей более точно описывает реальную наблюдаемую структуру», - говорит Марчесини. Увидев пену изнутри, команда смогла увидеть, как именно она устроена, а также форму и размеры каждого компонента. «Структура была намного сложнее, чем все, что мы видели на более ранних изображениях, полученных с помощью этой техники».
То, что команда наблюдала на трехмерных изображениях аэрогеля этоксида тантала, было структурой «капли и лучи», соответствующей третьей модели, модели кластерной агрегации, ограниченной диффузией. Наблюдаемая структура объясняет относительную слабость материала низкой плотности, а также позволяет предположить, что изменения в методах приготовления аэрогелей могут улучшить их прочность.
В будущее
"Мы хотели бы использовать рентгеновскую дифракцию для изучения ряда пористых материалов и наноструктур в целом, например, пористых полимеров, разработанных в Molecular Foundry для хранения водорода в качестве топлива, и с еще более высоким разрешением", - говорит Маркезини.«Для этого Дэвид Шапиро, который построил конечную станцию, которую мы использовали для этой работы, работает с нами над преодолением некоторых препятствий».
Один раз. В настоящее время на каждый образец уходят месяцы работы. После подготовки эксперимент сначала требует один или два дня установки, вращения и воздействия на образец рентгеновским лучом, около минуты на просмотр - из-за медленного детектора - на 150 изображений. Затем следуют недели времени вычислений. «И после всего этого вы можете обнаружить, что образец был плохим, поэтому вам придется начать все сначала», - говорит Маркезини.
Улучшение работы с образцами, более быстрые детекторы и линия луча, предназначенная для дифракции рентгеновских лучей, являются основными целями. Установка когерентного рассеяния и дифракционной микроскопии (COSMIC), являющаяся главным приоритетом в стратегическом плане ALS, обеспечит интенсивное когерентное рентгеновское излучение с полным контролем поляризации.
«Мы также сотрудничаем с отделом вычислительных исследований Berkeley Lab для разработки эффективных и надежных алгоритмов, позволяющих сократить время, необходимое для создания трехмерного изображения из отдельных повернутых изображений», - говорит Марчесини.«Это откроет целый спектр возможностей для новых способов увидеть очень маленькое - не только аэрогели, но практически любой неизвестный объект, от наноструктур до биологических клеток».