نمایش ساختار داخلی به ابعاد نانو

نانومواد که از ذراتی با ابعاد چند بیلیونم متر تشکیل شده اند، امیدهای بسیاری در زمینه ی تولید باتری با بازده بیشتر، سلول‌های سوختی، کاتالیزورها و سیستم های انتقال دارو ایجاد نموده اند. درک این مطلب، که مواد داخل این دستگاه‌های نانو ساختار چگونه تکامل پیدا نموده اند، جهت توسعه و کشف راه‌های بهینه سازی عمل‌کردشان ضروری است. اما بیشتر تحقیقات با استفاده از نمونه های آرمانی شده ی اجزای مجرد انجام گرفته است و براساس عمل‌کرد واقعی آنها در دستگاههای عامل نمی باشد.
اکنون گروهی از محققان در دپارتمان انرژی آزمایشگاه ملی بروک هیون و مدرسه ی مهندسی و علوم کاربردی دانشگاه کلمبیا یک نوع جدید از دستگاه اشعه ی ایکس را تهیه نموده اند – راهی جهت ایجاد قابلیت ترسیم ساختارهای نانوی داخلی و مشخصات اجزای گوناگون در دستگاههای سرتاسر جهان و همچنین کنترل چگونگی رشد و تکامل ویژگی ها به همراه فعالیت این دستگاهها. روش عکسبرداری جدید دوگانه که در نسخه ی 30 سپتامبر 2013 مجله ی ارتباطات طبیعت توضیح داده شد، اشعه ی ایکس با شدت بالا را جهت شناسایی ساختارهایی با اندازه ی نانو با استفاده از برش های مقطعی از دستگاه مورد استفاده قرار می دهد تا موقعیت دقیق اجزای نانوساختار را بیابد. این امر فرصت های جدیدی جهت پیشرفت در محدوده ی وسیعی از رشته های تحقیقاتی از علم مواد گرفته تا بیومواد، زمین شناسی، علم محیط زیست و سلامت فراهم می آورد.
Simon Billinge، یکی از نویسندگان اصلی این مقاله و محقق دانشکده های مهندسی دانشگاههای کلمبیا و بروک هیون می گوید: "اگر به یک باتری با یک آند، در کنار یک غشا، در کنار الکترولیت جامد، در کنار یک غشای دیگر، در کنار کاتد، و همگی این‌ها پیچیده شده در یک محفظه ی نگهدارنده ی فولادی فکر می کنید، تصویر بسیار مبهمی از این دستگاه دارید". "اکنون می توانیم با این روشِ تصویربرداری دوگانه، داخل باتری را ببینیم و نانوساختار را از هر یک از بخش های باتری به طور جداگانه بیرون بکشیم، و می توان این کار را حتی بدون جدا کردن باتری از هم انجام داد، و همچنین می توان این کار را زمانی که باتری در حال عملیات است اجرا نمود، که می توان فرآیندهای شیمیایی را هم که در زمان تکامل مواد انجام می گیرند مورد بررسی قرار داد.
اشعه ی ایکس مورد استفاده برای این تکنیک با اشعه های مورد استفاده جهت عکس برداری از استخوان های شکسته متفاوت می باشند. این اشعه ها بسیار شدید بوده، و دارای پرتوهای کوچک می باشند که با استفاده از یک منبع نور سینکروترون، انرژی بسیار بالایی تولید می نماید، این منبع، یک دستگاه علمی دقیق است که در مراکز انتخاب تحقیق مانند آزمایشگاه بروک-هیون و تسهیلات تابش سینکروترون اروپایی در گرونوبل، فرانسه، که این تحقیق به خصوص هم در آن‌جا انجام گرفت مورد استفاده می باشند.
اشعه ی ایکس، موجبات اندازه گیری توزیع فواصل بین جفت اتم ها در ماده را فراهم می آورد – که با عنوان توابع توزیع جفت‌های اتمی یا PDFها شناخته می شوند – که ساختار در مقیاس نانو را آشکار می نمایند.
تصاویر مقطعی با مقیاس بزرگ‌تر از برش هایی از ماده که با استفاده از برش نگاری کامپیوتری (Computed Tomography) از زوایای گوناگون گرفته می شوند – درست مانند آنچه دکترها جهت بررسی صدمات مغزی در افرادی که سقوط بد داشته اند استفاده می نمایند—اطلاعات مکانی مورد نیاز دانشمندان را جهت ایجاد یک نقشه ی سه بعدی از اجزای دستگاه در اختیارشان قرار داده و اطلاعات مربوط به ساختار مقیاس نانو را روی آن نقشه قرار می دهد.

"هر روشی به نوبه ی خود قدرتمند است، اما این روش ها در کنار هم تصویر جدیدی به ما ارائه می دهند." "برای اولین بار ما قادریم سیگنال های نانوساختار را از بخش های گوناگون یک دستگاه در حال کار جدا نموده و ببینیم اتم ها در جای خود چه کاری انجام می دهند، بدون اینکه شی‌ء مذکور را از بین ببریم".

مانند روش های عکس‌برداری که در بحث سلامت و بهداشت و علوم فیزیولوژیکی و عصب شناسی تأثیر فراوانی داشته اند، این تکنیک هم دسترسی بی سابقه به کارکرد درونی مواد نانومقیاس را ممکن ساخته است.

"مانند این است که قادر باشیم ببینیم در هر اتاق در مرکز ساختمان امپایر چه اتفاقی در حال افتادن است، اما این مشاهدات را از محل رصد مرکز راکفلر 30 انجام دهیم – و البته اگر فرض کنیم که ساختمان امپایر و مرکز راکفلر بسیار کوچک هستند،".

نمایش تکنیک
جهت نمایش و شرح این تکنیک، دانشمندان از یک نمونه ی فانتوم پیچیده استفاده نمودند که متشکل از ترکیبی از مواد غیرمتبلور و نیمه متبلور می باشد. دانشمندان توانستند به سادگی این مراحل مجزا را از هم تمیز دهند.
سپس از این روش جهت مطالعه ی ساختار داخلی یک کاتالیزور متشکل از نانوذرات پالادیوم روی یک پشتی اکسید آلومینیوم استفاده نمودند که در صنعت شیمی بسیار مورد استفاده می باشد.

"بازده ی بسیاری از فرآیندهای صنعتی بسته به عمل‌کرد کاتالیزورهای نهفته برروی پشتی ساختاری آن است که با عنوان بدنه ی کاتالیزوری شناخته می شوند، بنابراین درک طریقه ی ساخت و فعالیت آن‌ها در عمل نکته ی مهم و مفیدی است".

این تکنیک به وضوح توزیع غیریکنواخت ذرات را نشان داد، بدین شکل که ذرات بزرگ‌تر روی سطح قرار داشتند و ذرات کوچک‌تر در داخل ماده بودند.

"نمی توان به وضوح گفت آیا فعالیت کاتالیزوری شدید آنها از ذرات بزرگ‌تر و بیش‌تر در اطراف حاصل می‌شود، یا از ذرات کوچکتر داخلی." "با استفاده از PDF-CT پویا جهت کنترل کاتالیزور حین فعالیت، اکنون می توان تصویر کامل تری از نمونه ی کاتالیزور و فرآیندهای تکاملی ارائه داد که کاتالیزور را ایجاد نموده است و عمل می کند، تا بتوان این روابط را درک نموده و نهایتا طراحی کاتالیزورهای بهبود یافته را ممکن نماییم".
این تحقیقات در حالی اجرا گردید که Billinge در تعطیلات مطالعاتی کلمبیا و بروک هیون بود، اما احتمالاً در مرکز منبع نور سینکروترون ملی II هم در بروک هیون ادامه خواهد یافت، زمانیکه در سال 2015 این کار عملیاتی شود.

"با استفاده از منابع نور سینکروترون مدرن، پرتوهای ایکس زیر میکرون بیش‌تر در دسترس قرار خواهند گرفت، و در آینده ی نزدیک امکان تصویربرداری PDF-CT با رزولوشن بالا را روی مقیاس های نانو ممکن خواهند ساخت."

این تحقیقات با همکاری دانشمندان دانشگاه منچستر انگلستان؛ مرکز تحقیقات در هارول، Didcot، Oxfordshire، انگلستان، دانشگاه لندن؛ ESRF؛ و دانشگاه Utrech در هلند؛ انجام گرفت. این تحقیقات در ابتدا توسط دفتر علوم دپارتمان انرژی آمریکا و انجمن تحقیقاتی علوم فیزیک و مهندسی انگلستان آغاز گردید.
نمایش داخل یک کاتالیزور. یک تکنیک عکسبرداری دوگانه دانشمندان را قادر ساخت، نانو ساختار داخلی این کاتالیزورهای استوانه ای را بدون آسیب به ساختارشان ترسیم نمایند. این تکنیک، برش نگاری کامپیوتری (CT) را –که برش‌هایی از ساختار سه بعدی ایجاد می کند- با توابع توزیع ذرات اشعه ی ایکس (PDFها، به شکل نمودار نشان داده شده‌اند)، ترکیب نموده و اطلاعات مربوط نانو ساختار داخلی و اطلاعات شیمیایی (رنگ ها) را به شکل پیکسل به پیکسل در سه بعد ترسیم می نماید. PDFهای دو پیکسل نشان داده شده نشان می دهند که ذرات نانوی پالادیوم بسیار بزرگی در لبه ی بدنه ی کاتالیزور وجود دارد، و نانوذرات پالادیوم کوچک در مرکز قرار گرفته اند (که به شکل خوشه ها با سایزهای مختلف نشان داده شده اند). این روش قدرتمند، ساختار را در مقیاس های طولی مختلف نشان می دهد- از بدنه ی کاتالیزور در مقیاس میلیمتر تا نحوه ی قرارگیری نانوذرات که در مقیاس میکرون می باشند تا نانوذرات یک میلیونم متر، و حتی خود اتم ها. (تصویر اهدایی از آزمایشگاه ملی بروک هیون)