Los materiales avanzados son ingredientes vitales en productos en los que confiamos, como baterías, aspas del motor a reacción, Componentes impresos en 3-D en automóviles. Los científicos e ingenieros usan información sobre la estructura y el movimiento de los átomos en estos materiales para diseñar componentes que hacen que estos productos sean más confiables. eficiente y seguro de usar.

Hoy dia, Hay límites a la cantidad de científicos que pueden ver a escalas atómicas en estos materiales, especialmente mientras están en uso. y eso hace que sea mucho más difícil diseñar nuevos componentes que sean exponencialmente mejores que los que tenemos hoy.

Proporcionar los datos necesarios para mejorar estos productos, un equipo de ingenieros y científicos del Laboratorio Nacional de Oak Ridge (ORNL) del Departamento de Energía ha desarrollado una nueva técnica de difracción basada en orificios que llaman PIND. En un artículo publicado en Letras de física aplicada , demostraron que es posible mejorar drásticamente el aumento y la resolución de estructuras en las profundidades de los componentes diseñados con difracción estenopeica.

"Por primera vez en difracción de neutrones en tiempo de vuelo en el instrumento VULCAN, pudimos aumentar la resolución en aproximadamente un orden de magnitud con un orificio, "dijo Ke An, un científico de instrumentos ORNL.

El concepto es simple. Así como los microscopios usan lentes para enfocar la luz y ampliar un objeto, un orificio o una hendidura perfectamente colocados pueden enfocar los neutrones que se dispersan en una muestra a medida que la atraviesan. Esta pequeña adición al instrumento VULCAN en la fuente de neutrones de espalación (SNS) de ORNL, junto con la adición de un detector de helio-3 nuevo y mejorado, aumentó la resolución espacial del instrumento en ocho veces:de 2, 000 micrones (µm), aproximadamente del grosor de un espagueti, a aproximadamente 250 µm, que tiene aproximadamente la longitud de 30 glóbulos en línea recta.

"No solo hemos demostrado que es posible mejorar drásticamente la resolución de los difractómetros de neutrones con un orificio de alfiler, pero creemos que es posible mejorar aún más la resolución a alrededor de 100 µm con futuros detectores, "dijo Alexandru D. Stoica, un científico de instrumentos ORNL. "Los aumentos de resolución como este son emocionantes porque abren nuevas posibilidades para estudios científicos de materiales avanzados".

A diferencia de los rayos X, los neutrones son altamente penetrantes y no destructivos. Esto los convierte en una sonda ideal para el estudio de materiales de ingeniería avanzados e impresos en 3D, en tiempo real en condiciones de funcionamiento realistas. La capacidad de VULCAN para aprovechar estas propiedades especiales lo convierte en una excelente herramienta para estudiar cambios en la estructura molecular; cambia de un estado a otro, como de un sólido a un líquido (una transformación de fase); tensiones internas causadas cuando se aplica fuerza a un objeto; y textura en materiales de ingeniería. El equipo de investigación de ORNL utilizó VULCAN para estudiar este último en acero con bajo contenido de carbono soldado con un relleno metálico de níquel.

"Con esta nueva técnica de difracción de neutrones, pudimos ver la distribución de grupos completos de cristales, todos apuntando en la misma dirección, con mayor detalle que nunca y sin dañarlos en el proceso, An dijo:"También pudimos ver cómo los diferentes grupos de cristales cambiaban su orientación en tiempo real cuando se aplicaba fuerza a la soldadura".

El proyecto fue apoyado por la subvención de Investigación y Desarrollo Dirigidos por Laboratorio (LDRD) de ORNL. Además de Stoica y An, Wei Wu de ORNL, Kevin Berry, Matthew Frost y Harley Skorpenske contribuyeron al proyecto.

"Avanzando, estamos implementando planes para reemplazar todos los detectores de VULCAN con el detector nuevo y mejorado y para completar más investigaciones para ver cuánto podemos mejorar aún más la resolución de los difractómetros de neutrones con la técnica PIND, "An dijo.