Nieuwe röntgenbeeldvormingstechniek lost fusiegerelateerde nanofoams op in 3D

De fusiereacties van de zon zorgen ervoor dat de temperaturen oplopen tot duizenden graden. Tegenwoordig proberen wetenschappers deze processen, die de sterren van energie voorzien, in het laboratorium na te bootsen als alternatieve, schone energiebron.

Eén manier is experimenten met traagheidsfusie-energie, maar om die te laten werken moet de fusiebrandstof precies in de juiste configuratie worden gehouden, waarbij een veelbelovende aanpak het gebruik van poreus schuim is. Het probleem is dat niemand precies weet hoe goed deze nanofoams werken, omdat bestaande technieken ze ofwel vernietigen of niet de resolutie hebben om ze in detail te bestuderen.

Nu melden onderzoekers dat ze een röntgenbeeldvormingstechniek hebben ontwikkeld die gebruikmaakt van de unieke eigenschappen van de Linac Coherent Light Source (LCLS) van het SLAC National Accelerator Laboratory van het Amerikaanse ministerie van Energie. Daarmee kunnen ze de 3D-nanostructuur van koperschuim met een precisie bepalen die relevant is voor fusie-experimenten.

“Dit type 3D-volumetechniek met een vrije-elektronenlaser is een unieke meting”, aldus Adra Carr, onderzoeker bij Los Alamos National Laboratory en hoofdauteur van het werk gepubliceerd in Nano-brieven op 1 augustus.

De techniek is gebaseerd op ptychografische beeldvorming, die beelden genereert door de patronen van fotonen te verwerken die van een monster worden verstrooid. De onderzoekers verstrooiden de röntgenvrije-elektronenlaser van LCLS van koperen schuimmonsters en gebruikten vervolgens computeralgoritmen om het oorspronkelijke monster te ‘reconstrueren’. Deze algoritmen voeren de verzamelde fotonenverstrooiingspatronen in, en reconstrueerden uiteindelijk het koperen schuim met nanoschaalresolutie. Door de monsters te roteren, konden ze hun structuur in 3D weergeven.

“Deze nieuwe techniek maakt gebruik van de coherentie en de schittering van de röntgenvrije elektronenlaser”, aldus Arianna Gleason, senior stafwetenschapper bij SLAC en een corresponderende auteur van de nieuwe studie. “We konden het schuim op een manier onderzoeken die maar weinig andere methoden konden bereiken.”

De gegenereerde afbeeldingen lieten zien dat het koperschuim niet zo uniform is als verwacht. Veel van de dunne schuimschalen waren vervormd, samengevoegd of open – variaties die hun prestaties in inertiële opsluitingsfusie-experimenten zouden kunnen beïnvloeden. Dat soort informatie zou kunnen worden gebruikt om schuimfabricagemethoden te optimaliseren en deze materialen op maat te maken voor fusie-experimenten.

Voor dit gezamenlijke werk werd gebruikgemaakt van materiaalkennis van het Lawrence Livermore National Laboratory, waar onderzoekers experimenten met traagheidsopsluiting en fusie uitvoeren bij de National Ignition Facility, van coherente beeldvormingskennis van Los Alamos en Brigham Young University en van experimentele ontwerpinspanningen met expertise op het gebied van versnellerwetenschap van SLAC.

“Ik denk dat dit werk een prachtig voorbeeld is van hoe dit soort experimenten alleen mogelijk zijn met uiteenlopende expertise uit meerdere vakgebieden en op unieke plekken zoals SLAC”, aldus Carr.

De onderzoekers hopen dat hun werk zal dienen als springplank voor toekomstige beeldvormingsexperimenten. Ze zijn van plan deze techniek toe te passen op andere fusiegerelateerde materialen, en Gleason zei dat het ook kan worden uitgebreid naar andere multi-materiaal, nanoschaalstructuren of zelfs kwetsbare monsters. Informatie van extra sensoren kan worden opgenomen om de 3D-nanostructuren van monsters in de loop van de tijd te bestuderen of hun distributie van verschillende chemische soorten in kaart te brengen.