Alors que les médecins utilisent des rayons X pour voir les os brisés à l'intérieur de notre corps, les scientifiques ont développé une nouvelle technique aux rayons X pour voir à l'intérieur des nanoparticules emballées en continu, également connu sous le nom de céréales, d'examiner les déformations et les dislocations qui affectent leurs propriétés.

Dans une nouvelle étude publiée vendredi dernier dans Science , des chercheurs du laboratoire national d'Argonne du département américain de l'Énergie (DOE) ont utilisé une technique de diffusion des rayons X appelée imagerie par diffraction cohérente de Bragg pour reconstruire en 3D la taille et la forme des défauts des grains. Ces défauts créent des imperfections dans le réseau d'atomes à l'intérieur d'un grain qui peuvent donner lieu à des propriétés et des effets de matériaux intéressants.

« Cette technique offre une très grande sensibilité aux déplacements atomiques, ainsi que la capacité d'étudier des matériaux dans un certain nombre de conditions réalistes différentes, telles que les températures élevées, " a déclaré le physicien d'Argonne Wonsuk Cha, un auteur de l'article.

"Si vous voulez cartographier l'intérieur du grain, voir le réseau des luxations, c'est une technique passionnante, " a ajouté Andrew Ulvestad, scientifique des matériaux d'Argonne, un autre auteur.

Depuis dix ans, les scientifiques avaient examiné la structure défectueuse des nanoparticules séparées. Mais les scientifiques n'avaient aucun moyen d'examiner les distorsions du réseau cristallin des grains qui formaient des films continus de matière, comme celles que l'on trouve dans certaines cellules solaires ou certains matériaux catalytiques.

En imagerie de diffraction cohérente de Bragg, les scientifiques braquent des rayons X sur un échantillon, qui dispersent les atomes dans la structure du matériau. En observant les motifs de diffusion, les scientifiques peuvent reconstituer la composition du matériau en 3D. Avec de petites nanoparticules isolées, ces informations sont relativement faciles à recueillir, mais pour les films minces, il y a des complications supplémentaires. "C'est comme essayer de comprendre où se trouve Paul McCartney sur la photo emblématique d'Abbey Road plutôt que d'essayer de comprendre où se trouve le sixième violon d'un grand orchestre, " a déclaré Ulvestad.

La recherche s'est concentrée sur une zone spécifique entre les particules connue sous le nom de « joint de grain, " une région qui provoque la plupart des phénomènes matériels intéressants. " Le joint de grain peut être considéré comme une ligne de faille dans une plaque tectonique, " a déclaré Ulvestad. "Cela régit beaucoup d'activités sous-jacentes."

Ulvestad a spécifiquement mentionné les cellules solaires à couche mince, une technologie photovoltaïque prometteuse, comme un exemple notable d'un type de matériau technologiquement passionnant qui pourrait bénéficier de l'étude. "Ce sont généralement des matériaux assez compliqués dont le comportement est largement déterminé par les atomes qui sont sur les" lignes de front, ' près des joints de grains, " il a dit.

Les dislocations près des joints de grains sont contrôlées par la structure des défauts dans le matériau, et Ulvestad espère qu'à mesure que les scientifiques acquièrent la capacité de contrôler la synthèse et le positionnement des défauts, ils seront à terme également capables de contrôler le comportement des matériaux à proximité du joint de grain.

En utilisant les rayons X à haute énergie particulièrement pénétrants produits par la source de photons avancée d'Argonne, les chercheurs ont pu observer la déformation du réseau cristallin en temps réel.

Un article basé sur l'étude, "Imagerie diffractive cohérente de Bragg de la dynamique des défauts à grain unique dans les films polycristallins, " est apparu en ligne dans Science le 19 mai.