Les matériaux avancés sont des ingrédients essentiels dans les produits sur lesquels nous comptons comme les batteries, pales de moteurs à réaction, Composants imprimés en 3D dans les voitures. Les scientifiques et les ingénieurs utilisent des informations sur la structure et le mouvement des atomes dans ces matériaux pour concevoir des composants qui rendent ces produits plus fiables, efficace et sûr à utiliser.

Aujourd'hui, il y a des limites à ce que les scientifiques peuvent voir à l'échelle atomique dans ces matériaux, en particulier lorsqu'ils sont en cours d'utilisation, et cela rend beaucoup plus difficile la conception de nouveaux composants qui sont exponentiellement meilleurs que ce que nous avons aujourd'hui.

Fournir les données nécessaires à l'amélioration de ces produits, une équipe d'ingénieurs et de scientifiques du laboratoire national d'Oak Ridge (ORNL) du ministère de l'Énergie a développé une nouvelle technique de diffraction basée sur les trous d'épingle qu'ils appellent PIND. Dans un article publié en Lettres de physique appliquée , ils ont prouvé qu'il est possible d'améliorer considérablement le grossissement et la résolution des structures en profondeur dans les composants d'ingénierie avec la diffraction par sténopé.

« Dans une première pour la diffraction des neutrons en temps de vol sur l'instrument VULCAN, nous avons pu augmenter la résolution d'environ un ordre de grandeur avec un sténopé, " dit Ke An, un scientifique instrumentiste de l'ORNL.

Le concept est simple. Tout comme les microscopes utilisent des lentilles pour focaliser la lumière afin d'agrandir un objet, un trou d'épingle ou une fente parfaitement placé peut focaliser les neutrons diffusés sur un échantillon lors de leur passage. Ce petit ajout à l'instrument VULCAN à la source de neutrons de spallation (SNS) de l'ORNL, couplé avec l'ajout d'un nouveau détecteur d'hélium-3 amélioré, augmenté de huit fois la résolution spatiale de l'instrument :de 2, 000 microns (µm), à peu près l'épaisseur d'une nouille spaghetti, à environ 250 µm, qui est d'environ la longueur de 30 cellules sanguines en ligne droite.

"Non seulement nous avons prouvé qu'il est possible d'améliorer drastiquement la résolution des diffractomètres à neutrons à sténopé, mais nous pensons qu'il sera peut-être possible d'améliorer encore la résolution à environ 100 µm avec de futurs détecteurs, " a déclaré Alexandru D. Stoica, un scientifique instrumentiste de l'ORNL. "Des augmentations de résolution comme celle-ci sont passionnantes car elles ouvrent de nouvelles possibilités pour les études scientifiques des matériaux avancés."

Contrairement aux rayons X, les neutrons sont hautement pénétrants et non destructifs. Cela en fait une sonde idéale pour l'étude des matériaux d'ingénierie imprimés en 3D et avancés, en temps réel dans des conditions de fonctionnement réalistes. La capacité de VULCAN à tirer parti de ces propriétés spéciales en fait un excellent outil pour étudier les changements dans la structure moléculaire; passe d'un état à un autre, comme d'un solide à un liquide (une transformation de phase); contraintes internes causées lorsqu'une force est appliquée à un objet ; et la texture dans les matériaux d'ingénierie. L'équipe de recherche de l'ORNL a utilisé VULCAN pour étudier ce dernier dans un acier bas carbone soudé avec une charge métallique nickel.

"Avec cette nouvelle technique de diffraction des neutrons, nous avons pu voir la distribution de groupes complets de cristaux - tous pointant dans la même direction - avec plus de détails que jamais et sans les endommager dans le processus, " An a déclaré. "Nous avons également pu voir comment les différents groupes de cristaux ont changé leur orientation en temps réel lorsqu'une force a été appliquée à la soudure."

Le projet a été soutenu par la subvention de recherche et développement dirigée par un laboratoire (LDRD) de l'ORNL. En plus de Stoica et An, Wei Wu de l'ORNL, Kévin Berry, Matthew Frost et Harley Skorpenske ont contribué au projet.

"Avancer, nous mettons en place des plans pour remplacer tous les détecteurs de VULCAN par le détecteur nouveau et amélioré et pour effectuer davantage de recherches pour voir dans quelle mesure nous pouvons améliorer encore la résolution sur les diffractomètres à neutrons avec la technique PIND, " a dit An.