I ricercatori della Swiss Light Source, presso il Paul Scherrer Institute hanno ideato una nuova tecnica, chiamata tomografia a orientamento dicroico lineare a raggi X, che analizza l’orientamento dei mattoni di un materiale su scala nanometrica in tre dimensioni.
Una nuova tecnica, chiamata tomografia a orientamento dicroico lineare a raggi X e sviluppata Swiss Light Source, in Svizzera, analizza l’orientamento dei mattoni di un materiale su scala nanometrica in tre dimensioni. Applicata per la prima volta per studiare un catalizzatore policristallino, la tecnica consente la visualizzazione di grani cristallini, confini di grano e difetti, fattori chiave che determinano le prestazioni del catalizzatore. Oltre alla catalisi, la tecnica consente approfondimenti precedentemente inaccessibili sulla struttura di diversi materiali funzionali.
Il metodo è stato pubblicato su Nature e la notizia riportata da Phys.org.
Ingrandendo la micro o nanostruttura dei materiali funzionali, sia naturali che artificiali, si scopre che sono costituiti da migliaia e migliaia di domini o grani coerenti, regioni distinte in cui molecole e atomi sono disposti in uno schema ripetuto. Tale ordinamento locale è inestricabilmente legato alle proprietà del materiale. Le dimensioni, l’orientamento e la distribuzione dei grani possono fare la differenza tra un mattone robusto o una pietra che si sgretola; possono determinare la duttilità del metallo e l’efficienza del trasferimento di elettroni in un semiconduttore o la conduttività termica della ceramica.
Questi domini sono spesso minuscoli: decine di nanometri di dimensione. Finora le tecniche per sondare l’organizzazione dei materiali su scala nanometrica sono state ampiamente limitate a due dimensioni o sono di natura distruttiva.
La tomografia a orientamento dicroico lineare a raggi X
Ora, utilizzando i raggi X generati dalla Swiss Light Source SLS, un team collaborativo di ricercatori del Paul Scherrer Institute (PSI), ETH Zurich, University of Oxford e Max Plank Institute for Chemical Physics of Solids, è riuscito a creare una tecnica di imaging per accedere a queste informazioni in tre dimensioni.
La tecnica è nota come tomografia a orientamento dicroico lineare a raggi X (XL-DOT). XL-DOT utilizza raggi X polarizzati dalla Swiss Light Source SLS, per sondare come i materiali assorbono i raggi X in modo diverso a seconda dell’orientamento dei domini strutturali al loro interno. Modificando la polarizzazione dei raggi X, mentre si ruota il campione per catturare immagini da diverse angolazioni, la tecnica crea una mappa tridimensionale che rivela l’organizzazione interna del materiale.
Il team ha applicato il metodo a un pezzo di catalizzatore al pentossido di vanadio di circa un micron di diametro, utilizzato nella produzione di acido solforico, riuscendo a identificare dettagli minuti nella struttura del catalizzatore, tra cui grani cristallini, confini in cui i grani si incontrano e cambiamenti nell’orientamento dei cristalli. Ha inoltre identificato difetti topologici nel catalizzatore. Tali caratteristiche influenzano direttamente l’attività e la stabilità dei catalizzatori, quindi la conoscenza di questa struttura è fondamentale per ottimizzare le prestazioni.
È importante notare che il metodo raggiunge un’elevata risoluzione spaziale. Poiché i raggi X hanno una lunghezza d’onda corta, il metodo può risolvere strutture di appena decine di nanometri di dimensione, allineandosi con le dimensioni di caratteristiche come i grani cristallini.
“Il dicroismo lineare è stato utilizzato per misurare le anisotropie nei materiali per molti anni, ma questa è la prima volta che è stato esteso al 3D. Non solo guardiamo all’interno, ma con una risoluzione su scala nanometrica. Ciò significa che ora abbiamo accesso a informazioni che in precedenza non erano visibili e possiamo ottenerlo in campioni piccoli ma rappresentativi, di dimensioni di diversi micrometri” afferma Valerio Scagnoli, Senior Scientist presso i Mesoscopic Systems, un gruppo congiunto tra PSI ed ETH di Zurigo.
Foto Paul Scherrer Institute / Andreas Apseros
