طريقة جديدة تجمع بين مزايا الأشعة السينية والأشعة المقطعية

نجح باحثون من مختبر بروكهافن الوطني التابع لوزارة الطاقة الأمريكية بالتعاون مع علماء من جامعة كولومبيا في تطوير نوع جديد من أجهزة الأشعة السينية - وهي طريقة للنظير في العالم الحقيقي لأجهزة النانومتر

إن المواد النانوية التي تتكون من جزيئات بأحجام تقاس بأجزاء من المليارات من المتر تبشر بوعد كبير في تصنيع البطاريات وخلايا الوقود والمحفزات وأنظمة توصيل الأدوية، والتي ستكون أكثر كفاءة بكثير مما هي عليه اليوم. تعد مراقبة الطريقة التي تتغير بها هذه المواد النانوية وتتفاعل داخل الأجهزة أثناء تشغيلها أمرًا ضروريًا للحصول على رؤى تسمح بمزيد من التحسين لأداء هذه الأجهزة. ومع ذلك، في معظم الدراسات، تمكن العلماء من النظر إلى أمثلة مثالية للمكونات الفردية، وليس إلى تشغيلها العملي داخل جهاز نشط.

والآن، نجحت مجموعة من الباحثين من مختبر بروكهافن الوطني التابع لوزارة الطاقة الأمريكية بالتعاون مع علماء من جامعة كولومبيا في تطوير نوع جديد من أجهزة الأشعة السينية - وهي طريقة للتعمق في العالم الحقيقي للأجهزة من أجل رسم خريطة لها. البنى النانوية الداخلية وخصائص مكوناتها المختلفة، وحتى تغير خصائصها أثناء تشغيل الجهاز. تجمع طريقة التصوير المزدوج الجديدة، الموصوفة بالتفصيل في المجلة العلمية Nature Communications، بين إشعاع الأشعة السينية عالي الكثافة الذي يعمل على الهياكل النانوية إلى جانب الحصول على "شرائح" مقطعية للجهاز لتحديد الموقع الدقيق للمكونات النانوية. تفتح الطريقة الجديدة نافذة على فرص جديدة للتقدم في مجموعة واسعة من مجالات البحث، من علوم المواد إلى المواد الحيوية والجيولوجيا وعلوم البيئة والطب.

"إذا فكرت في بطارية تشتمل على أنود، بجوار غشاء، بجوار إلكتروليت صلب، بجوار غشاء آخر، بجوار الكاثود، عندما يتم لف كل شيء في حاوية فولاذية، فإن هذا الجهاز بأكمله عبارة عن "مغلق تمامًا عن المنظر الخارجي"، يوضح سيمون بيلينج، أحد المؤلفين الرئيسيين للمقال والباحث في جامعة كولومبيا وأيضًا في المختبر الوطني. "ما يمكننا القيام به الآن، باستخدام طريقة التصوير المزدوج الجديدة، هو النظر داخل البطارية واستخراج صورة للهياكل النانوية لكل جزء من الأجزاء الفردية داخل البطارية، ويمكننا القيام بذلك دون تفكيك البطارية، وأثناء عملها الطبيعي التشغيل، حتى تتمكن من مراقبة العمليات الكيميائية التي تتم بداخله."

الأشعة السينية المستخدمة في الطريقة الجديدة ليست من النوع المستخدم غالبًا لتصوير العظام المكسورة. وبدلاً من ذلك، فإن الأشعة قوية ولها حزم صغيرة وقادرة على إنتاج طاقات عالية جدًا بفضل مصدر ضوء السنكروترون (نوع من مسرعات الجسيمات، السنكروترون)، وهو جهاز علمي دقيق موجود في مراكز أبحاث مختارة حول العالم. تتيح الأشعة السينية قياس المسافات بين أزواج الذرات وهذا القياس يجعل من الممكن تحديد البنية النانومترية للمادة التي يتم اختبارها.

صور مقطعية واسعة النطاق لشرائح من المادة تم الحصول عليها بزوايا "تصويرية" متعددة باستخدام جهاز التصوير المقطعي المحوسب (CT) - على غرار الآلة التي يستخدمها الأطباء لفحص إصابات الرأس بعد ضربة على الرأس - تزود العلماء بالتحليل المكاني. المعلومات التي يحتاجونها لصياغة رسم خرائط ثلاثي الأبعاد لمكونات الجهاز و"وضع" المعلومات حول البنية النانومترية أعلى هذا الرسم.

ويشير الباحث الرئيسي إلى أن "كل طريقة من الطرق المنفصلة (الأشعة السينية والأشعة المقطعية) لها قوتها الخاصة، ولكن الجمع بينهما يوفر لنا صورة جديدة تمامًا". "لأول مرة على الإطلاق، يمكننا فصل إشارات البنى النانوية المستلمة من الأجزاء المختلفة لجهاز نشط ورؤية كيف تتصرف الذرات المختلفة في كل نقطة، وكل هذا دون تفكيك الجهاز إلى مكوناته المختلفة." وعلى غرار طرق التصوير الأخرى التي كان لها تأثير حاسم وكبير في مجالات الصحة وعلوم وظائف الأعضاء والأعصاب، توفر هذه الطريقة وصولاً غير مسبوق إلى العلاقات المتبادلة الداخلية للمواد على مستوى النانومتر.

ومن أجل إثبات الطريقة الجديدة، قام العلماء بالتقاط صور لبنية معقدة من المواد التي تتضمن خليطا من عدة مواد غير متبلورة وشبه بلورية. وتمكن الباحثون من التمييز بين الأنواع المختلفة للمكونات داخل الخليط بسهولة بالغة. وفي الخطوة التالية، استخدموا الطريقة لفحص البنية الداخلية لمحفز شائع الاستخدام في الصناعة الكيميائية، والذي يتكون من جسيمات البلاديوم النانوية المثبتة على ركيزة من أكسيد الألومنيوم. يوضح الباحث الرئيسي: "تعتمد كفاءة العديد من العمليات الصناعية على أداء المحفزات المثبتة على ركيزة هيكلية، وبالتالي، من المهم جدًا فهم كيفية الحصول عليها وعملها عمليًا".

كانت هذه الطريقة قادرة على إظهار التوزيع غير الموحد للجسيمات بوضوح، حيث تكون الجزيئات الأكبر حجمًا فوق الركيزة والجسيمات الأصغر حجمًا داخل المادة نفسها. يقول الباحث: "ليس من الواضح من هذه الدراسة ما إذا كان النشاط التحفيزي الكبير يرجع إلى الجزيئات الأكبر والأكثر عددًا الموجودة في المحيط، أو ما إذا كان يرجع إلى الجزيئات الأصغر الموجودة في المركز". "ومع ذلك، بمساعدة استخدام طريقتنا، المعروفة باسم PDF-CT لمراقبة المحفز أثناء نشاطه، أصبح من الممكن الآن تقديم صورة أكثر اكتمالاً فيما يتعلق ببنية المحفز والعمليات التي تمر به أثناء نشاطه. نشاطها، وبالتالي يمكن فهم العلاقات المتبادلة بشكل أكثر وضوحا، وفي نهاية المطاف، يمكن تحسين المحفزات لتطويرها في المستقبل.

أخبار الدراسة
ملخص المقال الأصلي