Avancerade material är viktiga ingredienser i produkter som vi litar på som batterier, jetmotorblad, 3D-tryckta komponenter i bilar. Forskare och ingenjörer använder information om atomernas struktur och rörelse i dessa material för att designa komponenter som gör dessa produkter mer tillförlitliga, effektiv och säker att använda.

I dag, det finns gränser för hur mycket forskare kan se på atomär skala i dessa material – särskilt när de används, och det gör det mycket svårare att designa nya komponenter som är exponentiellt bättre än vad vi har idag.

För att tillhandahålla de uppgifter som är nödvändiga för att förbättra dessa produkter, ett team av ingenjörer och forskare från Department of Energy's Oak Ridge National Laboratory (ORNL) har utvecklat en ny pinhole-baserad diffraktionsteknik som de kallar PIND. I ett papper publicerat i Bokstäver i tillämpad fysik , de bevisade att det är möjligt att drastiskt förbättra förstoringen och upplösningen av strukturer djupt inuti konstruerade komponenter med pinhole -diffraktion.

"I en första för time-of-flight neutrondiffraktion på VULCAN-instrumentet, vi kunde öka upplösningen med ungefär en storleksordning med ett hål, "sa Ke An, en ORNL-instrumentforskare.

Konceptet är enkelt. På samma sätt som mikroskop använder linser för att fokusera ljus för att förstora ett objekt, ett perfekt placerat nålhål eller slits kan fokusera neutronerna som sprider sig från ett prov när de passerar igenom. Detta lilla tillskott till VULCAN -instrumentet vid ORNL:s Spallation Neutron Source (SNS), tillsammans med tillägget av en ny och förbättrad helium-3-detektor, ökade instrumentets rumsliga upplösning med åtta gånger:från 2, 000 mikron (µm), ungefär tjockleken på en spagettinudel, till cirka 250 µm, som är ungefär längden på 30 blodkroppar i en rak linje.

"Inte bara har vi bevisat att det är möjligt att drastiskt förbättra upplösningen av neutrondiffraktometrar med ett hål, men vi tror att det kan vara möjligt att ytterligare förbättra upplösningen till cirka 100 µm med framtida detektorer, "sa Alexandru D. Stoica, en ORNL -instrumentforskare. "Ökningar i upplösning som detta är spännande eftersom de öppnar nya möjligheter för vetenskapliga studier av avancerat material."

Till skillnad från röntgen, neutroner är mycket genomträngande och oförstörande. Detta gör dem till en idealisk sond för studier av 3D-tryckta och avancerade tekniska material, i realtid under realistiska driftförhållanden. VULCANs förmåga att dra nytta av dessa speciella egenskaper gör det till ett utmärkt verktyg för att studera förändringar i molekylstruktur; ändras från ett tillstånd till ett annat, som från en fast substans till en vätska (en fasomvandling); inre spänningar som orsakas när kraft utövas på ett föremål; och struktur i konstruktionsmaterial. ORNL-forskargruppen använde VULCAN för att studera det senare i lågkolstålsvetsat med ett nickelmetallfyllmedel.

"Med denna nya neutrondiffraktionsteknik, vi kunde se fördelningen av kompletta grupper av kristaller - som alla pekade i samma riktning - mer detaljerat än någonsin tidigare och utan att skada dem i processen, "An sade." Vi kunde också se hur de olika kristallgrupperna ändrade sin orientering i realtid när kraft applicerades på svetsen. "

Projektet stöddes av ORNL:s Laboratory Directed Research and Development (LDRD) bidrag. Förutom Stoica och An, ORNLs Wei Wu, Kevin Berry, Matthew Frost och Harley Skorpenske bidrog till projektet.

"Går vidare, vi lägger planer på att ersätta alla VULCAN:s detektorer med den nya och förbättrade detektorn och att slutföra mer forskning för att se hur mycket vi kan ytterligare förbättra upplösningen på neutrondiffraktometrar med PIND -tekniken, "Sa en.