Tomografia di orientamento dicroico lineare ai raggi X (XL-DOT): una tecnica innovativa per l’analisi tridimensionale dei materiali nano-scala
Un innovativo metodo basato sui raggi X, all’avanguardia nel campo della ricerca scientifica, ha rivoluzionato la comprensione dell’orientamento tridimensionale delle strutture dei materiali nano-scala, fornendo preziose intuizioni sulla loro funzionalità. Il Swiss Light Source (SLS) ha introdotto una tecnica pionieristica denominata tomografia di orientamento dicroico lineare ai raggi X (XL-DOT), che consente di esplorare l’organizzazione tridimensionale dei blocchi strutturali di materiali a scala nanometrica.
Questo approccio ha rivelato dettagli fondamentali sulla struttura di un catalizzatore policristallino, consentendo agli studiosi di analizzare i grani cristallini, i confini tra i grani e i difetti, elementi critici che influenzano le prestazioni del catalizzatore. Oltre al settore della catalisi, la tecnica XL-DOT offre nuove prospettive sulla struttura di diversi materiali funzionali impiegati in settori come le tecnologie dell’informazione, l’accumulo di energia e le applicazioni biomediche.
Microstrutture e nanostrutture: la chiave per comprendere le proprietà dei materiali funzionali
L’approfondimento delle microstrutture e nanostrutture dei materiali funzionali, sia di origine naturale che artificiale, rivela la presenza di numerosi domini coerenti o grani, ossia regioni distinte caratterizzate da un’organizzazione molecolare e atomica ordinata e ripetitiva. La disposizione di questi grani è strettamente correlata alle proprietà del materiale, influenzando la sua resistenza, duttilità, conducibilità e altre caratteristiche fondamentali.
Questa struttura gioca un ruolo cruciale anche nei materiali biologici, come nel caso delle fibre di collagene, dove l’allineamento delle fibrille incide sulla resistenza meccanica dei tessuti connettivi.
XL-DOT: una tecnica di imaging tridimensionale non distruttiva per analizzare la struttura dei materiali a scala nanometrica
Spesso di dimensioni ridotte, nell’ordine dei decimi di nanometro, questi domini sono essenziali per le proprietà del materiale e la loro organizzazione tridimensionale su vasti volumi è determinante. Fino a poco tempo fa, le tecniche di indagine sulla struttura dei materiali a scala nanometrica erano principalmente bidimensionali o distruttive. Tuttavia, grazie ai raggi X generati dal Swiss Light Source SLS, un team di ricercatori provenienti da diverse istituzioni è riuscito a sviluppare una tecnica di imaging tridimensionale.
La tomografia di orientamento dicroico lineare ai raggi X (XL-DOT) sfrutta i raggi X polarizzati per analizzare l’assorbimento del materiale in base all’orientamento dei domini strutturali interni. Questa metodologia, che consente di ottenere una mappa tridimensionale dell’organizzazione interna del materiale, rappresenta un importante passo avanti nell’ambito dell’imaging non distruttivo delle microstrutture.
Applicazioni e prospettive future di XL-DOT nel campo della ricerca scientifica
Applicando questa tecnica innovativa a un catalizzatore di pentaossido di vanadio, i ricercatori sono riusciti a identificare dettagli minuziosi della sua struttura, inclusi grani cristallini, confini tra i grani e variazioni nell’orientamento cristallino. Queste informazioni sono cruciali per ottimizzare le prestazioni del catalizzatore, poiché influenzano direttamente la sua attività e stabilità.
Grazie alla sua elevata risoluzione spaziale, la tecnica XL-DOT può analizzare strutture di dimensioni ridotte, allineandosi alle dimensioni dei grani cristallini e consentendo di rivelare dettagli fino ai decimi di nanometro.
Il successo nello sviluppo di XL-DOT è frutto di anni di impegno nel campo dei raggi X coerenti presso il PSI, che ha permesso di raggiungere un controllo strumentale senza precedenti presso la linea di luce a piccolo angolo coerente (cSAXS). Questa competenza è stata fondamentale per superare le sfide sperimentali e matematiche legate all’estrazione e alla ricostruzione tridimensionale degli orientamenti cristallini da enormi quantità di dati grezzi.
Grazie alla sua natura non distruttiva, XL-DOT si presta a indagini su una vasta gamma di materiali, tra cui batterie e catalizzatori. Tuttavia, i ricercatori sottolineano che la tecnica è applicabile a tutti i materiali che presentano microstrutture ordinate, sia essi tessuti biologici o materiali avanzati per diverse applicazioni tecnologiche.
Con le basi gettate per XL-DOT, il team auspica che questa tecnica diventi ampiamente diffusa nei sincrotroni, ampliando il suo impatto e consentendo di esplorare una vasta gamma di campioni e applicazioni. La continua evoluzione e l’aggiornamento delle infrastrutture, come il passaggio a SLS 2.0, promettono di potenziare ulteriormente le capacità di XL-DOT, aprendo nuove prospettive di ricerca e applicazioni nel campo dell’imaging tridimensionale dei materiali a scala nanometrica.
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