Pour la première fois, les chercheurs ont capturé des images de tomographie neutronique en une seconde environ, presque un ordre de grandeur plus rapide que les tentatives précédemment signalées. Jusque récemment, Les longs temps d'acquisition d'images ont été le principal obstacle à l'utilisation de cette technique non invasive pour étudier des processus dynamiques en 3D tels que l'échange d'eau entre les racines et le sol.

"La capacité d'acquérir des images si rapidement nous permet de capturer, avec des détails sans précédent, les processus rapides impliqués lorsque les racines absorbent l'eau et d'autres nutriments du sol, " a déclaré Christian Tötzke, qui a dirigé l'équipe de recherche de l'Université de Potsdam. "Une meilleure compréhension de ces interactions racines-sol pourrait aider à optimiser l'efficacité de l'utilisation de l'eau et la production agricole, ce qui pourrait aider à répondre aux demandes plus élevées d'une population mondiale croissante et de ressources limitées."

Dans la revue The Optical Society (OSA) Optique Express , un groupe de chercheurs multi-institutionnels décrit comment ils ont obtenu des temps d'imagerie record pour la tomographie neutronique. La recherche fait partie d'un effort continu pour étudier l'influence significative que les racines ont sur les propriétés physiques et chimiques du sol environnant.

« Parce que les neutrons sont très sensibles à l'hydrogène, y compris aux composés contenant de l'hydrogène comme l'eau, l'imagerie neutronique à grande vitesse peut être utilisée pour visualiser les racines des plantes tout en cartographiant simultanément l'évolution de la distribution de l'eau dans le sol, ", a déclaré Tötzke. "Il pourrait également être utilisé pour étudier d'autres processus de transport dynamique tels que le transfert de fluides dans des systèmes de matériaux poreux artificiels ou naturels."

Par exemple, La tomographie neutronique à grande vitesse pourrait révéler de nouvelles informations sur la dynamique qui se produit lors de la fracturation hydraulique et être utilisée pour étudier le comportement du lithium à l'intérieur des batteries afin d'augmenter leur durabilité et leur sécurité.

Capturer les interactions racines-sol

La façon dont les plantes absorbent l'eau et les nutriments du sol dépend fortement des propriétés de transport du sol à côté des racines, une zone connue sous le nom de rhizosphère. Une meilleure compréhension des interactions racines-sol nécessite que les scientifiques en apprennent davantage sur la façon dont les changements structurels et biochimiques dans la rhizosphère affectent la façon dont l'eau et les nutriments s'écoulent dans les racines.

L'imagerie neutronique est idéale pour cette application car lorsque les neutrons interagissent avec des atomes comme l'hydrogène et le lithium, ils deviennent très visibles tandis que les métaux tels que l'aluminium et le titane sont pour la plupart transparents. Cette approche d'imagerie distingue également les isotopes de l'hydrogène, permettant à une molécule d'eau isotopiquement plus lourde connue sous le nom d'eau deutérée d'être utilisée comme agent de contraste. Ce type d'eau est également bien toléré par les plantes.

Cependant, la vitesse d'acquisition relativement lente de l'imagerie neutronique a rendu son utilisation difficile pour les études 3-D résolues en temps de processus rapides comme l'absorption d'eau. Une source de neutrons disponible à l'installation d'imagerie récemment ouverte NeXT-Grenoble à l'Institut Laue-Langevin peut fournir la puissance nécessaire pour une imagerie neutronique plus rapide.

Développement d'une configuration d'imagerie rapide

« NeXT-Grenoble possède le flux de neutrons froids le plus intense au monde à des fins d'imagerie, " a déclaré Tötzke. " Cependant, l'exploitation de ce flux élevé nous a obligé à optimiser les paramètres d'acquisition, qui a défié les limites de la technologie disponible."

Les chercheurs ont développé une configuration d'imagerie pour une imagerie rapide qui comprenait un écran scintillateur très efficace qui convertit les neutrons en lumière visible et une caméra CMOS scientifique avec une fréquence d'images élevée. Ils ont utilisé cette configuration pour étudier l'absorption d'eau du système racinaire d'un lupin qui tournait à une vitesse constante pendant que les images étaient prises en continu.

"Les données que nous avons acquises ont dépassé les attentes non seulement en termes de taux d'acquisition, mais également de rapport signal sur bruit et de résolution spatiale globale, montrant que cette approche était parfaitement adaptée pour étudier comment le sol et l'eau interagissent avec les racines, " a expliqué Tötzke.

Maintenant que les chercheurs ont démontré la faisabilité technique de la tomographie à neutrons rapides, ils prévoient de concevoir des caméras plus rapides et de meilleures étapes de rotation spécifiquement pour cette application. Ils veulent également essayer d'ajuster le flux de neutrons pour pousser plus loin la résolution temporelle de cette technique. La configuration d'imagerie rapide sera également intégrée à l'instrument NeXT à Grenoble afin que d'autres scientifiques puissent l'utiliser pour étudier les processus de transport rapides.