Medan läkare använder röntgenstrålar för att se de brutna benen i våra kroppar, forskare har utvecklat en ny röntgenteknik för att se inuti kontinuerligt packade nanopartiklar, även känd som korn, att undersöka deformationer och dislokationer som påverkar deras egenskaper.

I en ny studie som publicerades i fredags i Vetenskap , forskare vid US Department of Energy's (DOE) Argonne National Laboratory använde en röntgenspridningsteknik som kallas Bragg koherent diffraktionsavbildning för att i 3-D rekonstruera storleken och formen på spannmålsdefekter. Dessa defekter skapar ofullkomligheter i atomernas gitter inuti ett korn som kan ge upphov till intressanta materialegenskaper och effekter.

"Denna teknik ger mycket hög känslighet för atomförskjutningar, samt förmågan att studera material under en rad olika realistiska förhållanden, som höga temperaturer, "sa Argonne -fysikern Wonsuk Cha, författare till tidningen.

"Om du vill kartlägga insidan av kornet, för att se nätverket av dislokationer, detta är en spännande teknik, "tillade Argonne materialvetare Andrew Ulvestad, en annan författare.

Under de senaste tio åren har forskare hade tittat på defektstrukturen hos separerade nanopartiklar. Men forskare hade inte ett sätt att titta på snedvridningarna i kristallgitteret i korn som bildade kontinuerliga filmer av material, som de som finns i vissa solceller eller vissa katalytiska material.

Vid Bragg koherent diffraktionsavbildning, forskare lyser röntgenstrålar vid ett prov, som sprider av atomerna i materialets struktur. Genom att observera spridningsmönstren, forskare kan rekonstruera materialets sammansättning i 3D. Med små isolerade nanopartiklar, denna information är relativt lätt att samla in, men för tunna filmer finns det ytterligare komplikationer. "Det är som att försöka lista ut var Paul McCartney är på det ikoniska fotot av Abbey Road kontra att försöka lista ut var den sjätte violinisten i en stor orkester är, Sa Ulvestad.

Forskningen fokuserade på ett specifikt område mellan partiklar som kallas "korngränsen, "en region som orsakar de flesta intressanta materialfenomenen." Korngränsen kan ses som en fellinje i en tektonisk platta, Ulvestad sa. Det styr mycket underliggande aktivitet.

Ulvestad nämnde specifikt tunnfilms solceller, en lovande solcellsteknik, som ett anmärkningsvärt exempel på en typ av tekniskt spännande material som kan ha nytta av studien. "Detta är vanligtvis ganska komplicerade material vars beteende till stor del bestäms av atomerna i frontlinjerna, 'nära spannmålsgränserna, " han sa.

Dislokationerna nära korngränser styrs av defektstrukturen i materialet, och Ulvestad hoppas att allt eftersom forskarna får förmågan att kontrollera syntesen och placeringen av defekter, de kommer i slutändan också att kunna kontrollera beteendet hos material nära korngränsen.

Genom att använda de särskilt genomträngande högenergiröntgenstrålarna som produceras av Argonnes Advanced Photon Source, forskarna kunde se deformationen av kristallgittret i realtid.

En artikel baserad på studien, "Bragg koherent diffraktiv avbildning av dynamik med enkorniga defekter i polykristallina filmer, "dök upp online Vetenskap den 19 maj.