No puede ver bien sin lentes que puedan enfocar, ya sea que esos lentes estén en su ojo o en el microscopio por el que mira. Una nueva e innovadora forma de enfocar haces de neutrones podría permitir a los científicos explorar el interior de objetos opacos a un tamañoel rango al que antes estaban ciegos, lo que les permite explorar las entrañas de objetos desde meteoritos hasta materiales manufacturados de vanguardia sin dañarlos.
El método, publicado hoy en Cartas de revisión física , podría convertir lo que históricamente ha sido una herramienta de apoyo para la ciencia de neutrones en una técnica de exploración completa que podría revelar detalles que varían en tamaño desde 1 nanómetro hasta 10 micrómetros dentro de objetos más grandes. El enfoque proporciona esta herramienta, conocida como interferometría de neutrones, con lo que son esencialmente sus primeras "lentes" móviles capaces de acercar y alejar los detalles en este rango de tamaño, un rango que ha sido difícil de probar, incluso con otros métodos de escaneo de neutrones.
Más precisamente, estas "lentes" son obleas de silicio que actúan como rejillas de difracción, que aprovechan las propiedades en forma de onda de los neutrones. Las rejillas se dividen y redirigen un haz de neutrones para que las ondas reboten en los bordes de un objeto y luego chocan entre sí,crear un patrón de interferencia de moiré visible representativo del objeto que sea fácil de interpretar por los expertos.
El método fue desarrollado por un equipo de investigadores del Instituto Nacional de Estándares y Tecnología NIST, los Institutos Nacionales de Salud NIH y la Universidad de Waterloo de Canadá. Según Michael Huber de NIST, el enfoque podría hacer interferometría de neutronesen una de las mejores herramientas exploratorias en el kit de un científico de materiales.
"Podemos observar la estructura en muchos niveles diferentes y en diferentes escalas", dijo Huber, un físico del Laboratorio de Medición Física del NIST que realiza experimentos en el Centro de Investigación de Neutrones del NIST NCNR ". Podría complementar otras técnicas de escaneoporque su resolución es muy buena. Tiene una capacidad dramática para enfocar, y no estamos limitados a mirar rodajas finas de material como con otros métodos, podemos mirar fácilmente dentro de un grueso trozo de roca ".
La interferometría es una especialidad en el mundo de la ciencia de neutrones. Antes de que los científicos puedan sondear el interior de un objeto con un haz de neutrones, primero deben poseer algunos detalles fundamentales sobre cómo los neutrones rebotarán en la estructura atómica del objeto. Uno de esos detalles esEl índice de refracción de una sustancia, un número que indica cuánto doblará el rayo desde la dirección en que viaja el agua dobla la luz de una manera relacionada, es por eso que parece que tu brazo se dobla cuando lo sumerges en una piscina. La interferometría de neutrones es la mejor manera de obtener esa medición crucial.
La interferometría de neutrones también tiene potencial para otros usos en física fundamental, como medir con precisión la constante gravitacional. Es lo suficientemente sensible como para detectar cómo la fuerza gravitacional de un objeto puede desviar los neutrones, al igual que la Tierra atrae una bola voladora y viceversa.Pero el talón de Aquiles del método de neutrones ha sido lo lento que funciona. Para enfocar los neutrones en una muestra de material, un interferómetro ha necesitado un cristal tallado en dimensiones precisas de un solo bloque grande de silicio caro y de alta calidad. Otro neutrónLas técnicas pueden conformarse con cristales de una calidad muy inferior.
Desafortunadamente, los cristales que son lo suficientemente buenos para la interferometría también bloquean la mayoría de los neutrones que los golpean, lo que significa que un rayo tarda mucho en enviar suficientes neutrones a una muestra para obtener un índice de refracción preciso. Otras tareas tomaríanmucho más largo.
"Las fuentes de neutrones ya son muy débiles", dijo Dmitry Pushin de Waterloo. "Tomaría cien años obtener una buena respuesta a preguntas fundamentales como el valor de la constante gravitacional".
El nuevo enfoque evita estos problemas al usar un trío de finas rejillas de silicio para enfocar los neutrones en lugar de un solo cristal costoso. Bajo un microscopio, la superficie plana de cada rejilla se ve como un peine con dientes estrechos y muy espaciados. No solo¿Las rejillas permiten que todo el haz de neutrones pase a través de ellas? En lugar del goteo de neutrones que atraviesan el cristal, tienen la ventaja fundamental de ser móviles.
"Te enfocas moviendo la rejilla una fracción de milímetro", dijo Huber. "Es leve pero no difícil".
Demostrado en el Centro NIST para la Investigación de Neutrones, el enfoque del equipo se basa en un descubrimiento realizado inicialmente en NIH, donde los científicos estaban experimentando con la aplicación de las rejillas a los rayos de rayos X y notaron un patrón de muaré formándose en su cámara de imágenes.
"La idea fue desarrollada por primera vez por nuestro laboratorio para capturar la imagen de materiales donde los rayos X viajan a velocidades ligeramente diferentes que en el aire, como el propio cuerpo humano", dijo Han Wen, investigador principal del National Heart de los NIH,Lung, and Blood Institute. "Lo central de esta idea son las rejillas de rayos X, que se hicieron con las herramientas altamente especializadas en las instalaciones de NIST Nanofab".
Afortunadamente, los científicos de NIST y Waterloo se reunieron con los miembros del equipo de NIH en una conferencia y entablaron una colaboración, sospechando que las rejillas funcionarían tan bien para los neutrones como para los rayos X. El equipo de NIH trajo las rejillas a NIST,donde fueron ensamblados en el interferómetro de neutrones.
Después de resultados igualmente buenos en el NCNR, Huber dijo que solo una cosa se interpone en el camino de que su interferómetro se convierta en una gran herramienta para la industria: necesitan un conjunto de aberturas de diferentes anchos por los que pasará el haz de neutrones antes de que llegue al interferómetro.En este momento, solo tienen una sola abertura a su disposición, y esto limita su visión.
"Ahora podemos ver el rango completo de 1 nanómetro a 10 micrómetros, pero la imagen está un poco borrosa porque no obtenemos suficientes datos", dijo. "Cada apertura diferente nos da otro punto de datos, y con suficientepuntos en los que podemos comenzar a hacer un análisis cuantitativo de la microestructura de un material. Esperamos que podamos obtener un conjunto de quizás un centenar, lo que nos permitiría obtener información cuantitativa detallada ".
El equipo ya escaneó el interior de un bloque de granito que contiene una mezcla de cuatro minerales diferentes, y el escaneo muestra los detalles de dónde se encuentra cada bit de mineral. Huber dijo que el método sería bueno para escaneos no invasivos deobjetos porosos como meteoritos o materiales manufacturados, como geles o espumas, que son la base de muchos productos de consumo.
"También esperamos que finalmente podamos hacer esa medición gravitacional constante", dijo. "Podríamos poner un gran bloque de algún metal pesado como el tungsteno cerca y ver cómo se dobla el haz. Mejoraría nuestra comprensión de launiverso y no tomaría más tiempo que nuestras vidas ".
Fuente de la historia :
Materiales proporcionado por Instituto Nacional de Estándares y Tecnología NIST . Nota: El contenido puede ser editado por estilo y longitud.
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