Nieuwe röntgentechniek brengt de architectuur op nanoschaal van functionele materialen in kaart

Onderzoekers hebben een nieuwe techniek ontwikkeld bij de Zwitserse lichtbron SLS, genaamd X-ray lineaire dichroïsche oriëntatietomografie, die de oriëntatie van de bouwstenen van een materiaal op nanoschaal in drie dimensies onderzoekt.

De techniek werd voor het eerst toegepast om een ​​polykristallijne katalysator te bestuderen en maakt de visualisatie mogelijk van kristalkorrels, korrelgrenzen en defecten – sleutelfactoren die de prestaties van de katalysator bepalen. Naast katalyse maakt de techniek voorheen ontoegankelijke inzichten mogelijk in de structuur van diverse functionele materialen, waaronder materialen die worden gebruikt in informatietechnologie, energieopslag en biomedische toepassingen.

De onderzoekers presenteren hun werkwijze in Natuur.

Zoom in op de micro- of nanostructuur van functionele materialen, zowel natuurlijke als door de mens gemaakte, en je zult zien dat ze bestaan ​​uit duizenden en duizenden samenhangende domeinen of korrels: afzonderlijke gebieden waar moleculen en atomen in een zich herhalend patroon zijn gerangschikt.

Een dergelijke lokale ordening is onlosmakelijk verbonden met de materiaaleigenschappen. De grootte, oriëntatie en verdeling van korrels kunnen het verschil maken tussen een stevige baksteen of een afbrokkelende steen; het bepaalt de ductiliteit van metaal, de efficiëntie van elektronenoverdracht in een halfgeleider, of de thermische geleidbaarheid van keramiek.

Het is ook een belangrijk kenmerk van biologische materialen: collageenvezels worden bijvoorbeeld gevormd uit een netwerk van fibrillen en hun organisatie bepaalt de biomechanische prestaties van bindweefsel.

Deze domeinen zijn vaak klein: tientallen nanometers groot. En het is hun opstelling in drie dimensies over uitgebreide volumes die eigendomsbepalend is. Maar tot nu toe zijn technieken om de organisatie van materialen op nanoschaal te onderzoeken grotendeels beperkt gebleven tot twee dimensies of zijn ze destructief van aard.

Met behulp van röntgenstralen gegenereerd door de Zwitserse lichtbron SLS is een team van onderzoekers van het Paul Scherrer Instituut PSI, ETH Zürich, de Universiteit van Oxford en het Max Plank Instituut voor Chemische Fysica van Vaste stoffen er nu in geslaagd een beeldvormingstechniek te creëren toegang tot deze informatie in drie dimensies.

Hun techniek staat bekend als X-ray lineaire dichroïsche oriëntatietomografie, of kortweg XL-DOT. XL-DOT maakt gebruik van gepolariseerde röntgenstralen van de Zwitserse lichtbron SLS om te onderzoeken hoe materialen röntgenstralen anders absorberen, afhankelijk van de oriëntatie van structurele domeinen binnenin. Door de polarisatie van de röntgenstralen te veranderen en het monster te roteren om beelden vanuit verschillende hoeken vast te leggen, creëert de techniek een driedimensionale kaart die de interne organisatie van het materiaal onthult.

Het team paste hun methode toe op een stuk vanadiumpentoxide-katalysator met een diameter van ongeveer één micron, gebruikt bij de productie van zwavelzuur. Hier konden ze minutieuze details in de structuur van de katalysator identificeren, waaronder kristallijne korrels, grenzen waar korrels elkaar ontmoeten en veranderingen in de kristaloriëntatie.

Ze identificeerden ook topologische defecten in de katalysator. Dergelijke kenmerken hebben een directe invloed op de activiteit en stabiliteit van katalysatoren, dus kennis van deze structuur is cruciaal voor het optimaliseren van de prestaties.

Belangrijk is dat de methode een hoge ruimtelijke resolutie bereikt. Omdat röntgenstralen een korte golflengte hebben, kan de methode structuren van slechts tientallen nanometers groot maken, in lijn met de afmetingen van kenmerken zoals de kristallijne korrels.

“Lineair dichroïsme wordt al vele jaren gebruikt om anisotropieën in materialen te meten, maar dit is de eerste keer dat het is uitgebreid naar 3D. We kijken niet alleen naar binnen, maar met een resolutie op nanoschaal”, zegt Valerio Scagnoli, Senior Scientist bij de Mesoscopische Systemen. , een gezamenlijke groep tussen PSI en ETH Zürich.

“Dit betekent dat we nu toegang hebben tot informatie die voorheen niet zichtbaar was, en we kunnen dit bereiken in kleine maar representatieve monsters van enkele micrometers groot.”

Toonaangevend met coherente röntgenfoto’s

Hoewel de onderzoekers in 2019 voor het eerst het idee voor XL-DOT hadden, zou het nog vijf jaar duren voordat het in de praktijk kon worden gebracht. Samen met de complexe experimentele vereisten was het extraheren van de driedimensionale kaart van kristaloriëntaties uit terabytes aan ruwe gegevens een grote hindernis.

Deze wiskundige puzzel werd overwonnen met de ontwikkeling van een speciaal reconstructie-algoritme door Andreas Apseros, eerste auteur van het onderzoek, tijdens zijn doctoraatsstudie bij PSI.

De onderzoekers zijn van mening dat hun succes bij de ontwikkeling van XL-DOT gedeeltelijk te danken is aan de langdurige inzet voor het ontwikkelen van expertise op het gebied van coherente röntgenstraling bij PSI, wat heeft geleid tot ongekende controle en instrumentstabiliteit bij de coherente Small Angle X-ray Scattering ( cSAXS) bundellijn: cruciaal voor de delicate metingen.

Dit is een gebied dat een grote sprong voorwaarts zal maken na de SLS 2.0-upgrade. “Coherentie is waar we echt winst mee gaan behalen met de upgrade”, zegt Apseros. “We kijken naar zeer zwakke signalen, dus met meer coherente fotonen zullen we meer signaal hebben en kunnen we naar moeilijkere materialen of een hogere ruimtelijke resolutie gaan.”

Een weg naar de microstructuur van diverse materialen

Gezien het niet-destructieve karakter van XL-DOT voorzien de onderzoekers operando-onderzoeken van systemen zoals batterijen en katalysatoren. ‘Katalysatorlichamen en kathodedeeltjes in batterijen zijn doorgaans tussen de tien en vijftig micrometer groot, dus dit is een redelijke volgende stap’, zegt Johannes Ihli, voorheen van cSAXS en momenteel aan de Universiteit van Oxford, die het onderzoek leidde.

Toch is de nieuwe techniek niet alleen nuttig voor katalysatoren, benadrukken de onderzoekers. Het is nuttig voor alle soorten materialen die geordende microstructuren vertonen, of het nu gaat om biologische weefsels of geavanceerde materialen voor informatietechnologie of energieopslag.

Voor het onderzoeksteam ligt de wetenschappelijke motivatie inderdaad in het onderzoeken van de driedimensionale magnetische organisatie van materialen. Een voorbeeld is de oriëntatie van magnetische momenten in antiferromagnetische materialen. Hier worden de magnetische momenten in afwisselende richtingen uitgelijnd wanneer ze van atoom naar atoom gaan.

Dergelijke materialen behouden geen netto magnetisatie wanneer ze op afstand worden gemeten, maar bezitten wel een lokale orde in de magnetische structuur, een feit dat aantrekkelijk is voor technologische toepassingen zoals snellere en efficiëntere gegevensverwerking.

‘Onze methode is een van de weinige manieren om deze oriëntatie te onderzoeken’, zegt Claire Donnelly, groepsleider bij het Max Planck Instituut voor Chemische Fysica van Vaste Stoffen in Dresden, die sinds haar promotieonderzoek bij de Mesoscopic Systems-groep een sterke samenwerking met het team van PSI.

Het was tijdens dit doctoraatswerk dat Donnelly samen met hetzelfde team bij PSI publiceerde in Natuur een methode om magnetische tomografie uit te voeren met behulp van circulair gepolariseerde röntgenstralen (in tegenstelling tot XL-DOT, dat lineair gepolariseerde röntgenstralen gebruikt). Dit is sindsdien geïmplementeerd in synchrotrons over de hele wereld.

Nu de basis voor XL-DOT is gelegd, hoopt het team dat het, op een vergelijkbare manier als zijn circulair gepolariseerde broer of zus, een veelgebruikte techniek bij synchrotrons zal worden. Gezien het veel bredere scala aan monsters waarvoor XL-DOT relevant is en het belang van structurele ordening voor materiaalprestaties, kan worden verwacht dat de impact van deze nieuwste methode nog groter zal zijn.

“Nu we veel van de uitdagingen hebben overwonnen, kunnen andere bundellijnen de techniek implementeren. En wij kunnen hen daarbij helpen”, voegt Donnelly toe.