Por primera vez, Los investigadores han capturado imágenes de tomografía de neutrones en aproximadamente un segundo, casi un orden de magnitud más rápido que los intentos informados anteriormente. Hasta hace poco, Los largos tiempos de adquisición de imágenes han sido el principal obstáculo para el uso de esta técnica no invasiva para estudiar procesos dinámicos en 3D, como el intercambio de agua entre las raíces y el suelo.

"La capacidad de adquirir imágenes con tanta rapidez nos permite capturar, con un detalle sin precedentes, los procesos rápidos involucrados cuando las raíces absorben agua y otros nutrientes del suelo, "dijo Christian Tötzke, quien dirigió el equipo de investigación de la Universidad de Potsdam. "Una mejor comprensión de estas interacciones raíz-suelo podría ayudar a optimizar la eficiencia del uso del agua y la producción de cultivos, lo que podría ayudar a satisfacer las mayores demandas de una población mundial en aumento y recursos limitados ".

En la revista The Optical Society (OSA) Óptica Express , un grupo multiinstitucional de investigadores describe cómo lograron tiempos de obtención de imágenes récord para la tomografía de neutrones. La investigación es parte de un esfuerzo continuo para estudiar la influencia significativa que tienen las raíces en las propiedades físicas y químicas del suelo circundante.

"Debido a que los neutrones son muy sensibles al hidrógeno, incluidos los compuestos que contienen hidrógeno como el agua, se pueden utilizar imágenes de neutrones de alta velocidad para visualizar las raíces de las plantas y al mismo tiempo trazar un mapa de la distribución cambiante del agua en el suelo, ", dijo Tötzke." También podría utilizarse para estudiar otros procesos de transporte dinámico, como la transferencia de fluidos en sistemas de materiales porosos naturales o diseñados ".

Por ejemplo, La tomografía de neutrones de alta velocidad podría revelar nuevos conocimientos sobre la dinámica que se produce durante la fracturación hidráulica y utilizarse para estudiar el comportamiento del litio en el interior de las baterías para aumentar su durabilidad y seguridad.

Capturando interacciones raíz-suelo

La forma en que las plantas absorben el agua y los nutrientes del suelo depende en gran medida de las propiedades de transporte del suelo junto a las raíces. un área conocida como la rizosfera. Una mejor comprensión de las interacciones raíz-suelo requiere que los científicos aprendan más sobre cómo los cambios estructurales y bioquímicos en la rizosfera afectan la forma en que el agua y los nutrientes fluyen hacia las raíces.

Las imágenes de neutrones son ideales para esta aplicación porque cuando los neutrones interactúan con átomos como el hidrógeno y el litio, se vuelven muy visibles, mientras que los metales como el aluminio y el titanio son en su mayoría transparentes. Este enfoque de imágenes también distingue los isótopos de hidrógeno, permitiendo que una molécula de agua isotópicamente más pesada conocida como agua deuterada se utilice como agente de contraste. Este tipo de agua también es bien tolerada por las plantas.

Sin embargo, la velocidad de adquisición relativamente lenta de las imágenes de neutrones ha dificultado su uso en estudios tridimensionales de resolución temporal de procesos rápidos como la absorción de agua. Una fuente de neutrones disponible en la instalación de imágenes recientemente inaugurada NeXT-Grenoble en el Instituto Laue-Langevin puede proporcionar la energía necesaria para obtener imágenes de neutrones más rápidas.

Desarrollo de una configuración de imágenes rápida

"NeXT-Grenoble tiene el flujo de neutrones fríos más intenso del mundo para fines de obtención de imágenes, ", dijo Tötzke." Sin embargo, hacer uso de este alto flujo nos obligó a optimizar los parámetros de adquisición, que desafió los límites de la tecnología disponible ".

Los investigadores desarrollaron una configuración de imágenes para obtener imágenes rápidas que incluía una pantalla de centelleo de alta eficiencia que convierte los neutrones en luz visible y una cámara científica CMOS con una alta velocidad de fotogramas. Utilizaron esta configuración para estudiar la absorción de agua del sistema de raíces de una planta de lupino que se rotaba a una velocidad constante mientras se tomaban imágenes de forma continua.

"Los datos que adquirimos superaron las expectativas no solo en términos de tasa de adquisición, sino también de relación señal-ruido y resolución espacial general, mostrando que este enfoque era perfectamente adecuado para estudiar cómo el suelo y el agua interactúan con las raíces, "explicó Tötzke.

Ahora que los investigadores han demostrado la viabilidad técnica de la tomografía de neutrones rápidos, planean diseñar cámaras más rápidas y mejores etapas de rotación específicamente para esta aplicación. También quieren intentar ajustar el flujo de neutrones para impulsar aún más la resolución temporal de esta técnica. La configuración de imágenes rápidas también se incorporará al instrumento NeXT en Grenoble para que otros científicos puedan usarlo para estudiar los procesos de transporte rápido.