Исследователи создали это изображение медной нанопены с помощью источника когерентного света линейного ускорителя SLAC. Автор: Адра Карр/Лос-Аламосская национальная лаборатория
Реакции термоядерного синтеза на солнце разгоняют его температуру до тысяч градусов, и сегодня ученые пытаются воссоздать эти процессы, питающие звезды, в лабораторных условиях в качестве альтернативной чистой энергии.
Одним из направлений являются эксперименты с инерционной термоядерной энергией, но для того, чтобы они работали, термоядерное топливо должно находиться в точно правильной конфигурации, и одним из перспективных подходов является использование пористой пены. Проблема в том, что никто не уверен, насколько хорошо работают эти нанопены, потому что существующие методы либо разрушают их, либо не имеют разрешения для их детального изучения.
Теперь исследователи сообщают, что они разработали метод рентгеновской визуализации, который использует уникальные свойства источника когерентного света Linac Coherent Light Source (LCLS) в Национальной ускорительной лаборатории SLAC Министерства энергетики для разрешения трехмерной наноструктуры медной пены с уровнем точности, соответствующим экспериментам по термоядерному синтезу.
«Этот тип трехмерной объемной техники на лазере на свободных электронах является первым в своем роде измерением», — сказала Адра Карр, научный сотрудник Лос-Аламосской национальной лаборатории и ведущий автор работы, опубликованной в журнале Nano Letters 1 августа.
Метод основан на птихографической визуализации, которая генерирует изображения путем обработки шаблонов фотонов, рассеянных образцом. Исследователи рассеивали рентгеновский лазер на свободных электронах LCLS на образцах медной пены, затем использовали компьютерные алгоритмы для «реконструкции» исходного образца. Эти алгоритмы вводят собранные шаблоны рассеяния фотонов, в конечном итоге реконструируя медную пену с наномасштабным разрешением. Вращение образцов позволило им визуализировать их структуру в 3D.
«Эта новая технология использует когерентность и яркость рентгеновского лазера на свободных электронах», — сказала Арианна Глисон, старший научный сотрудник SLAC и автор-корреспондент нового исследования. «Мы смогли исследовать пену таким образом, как это могли сделать лишь немногие другие методы».
Полученные изображения показали, что медная пена не такая однородная, как ожидалось. Многие тонкие оболочки пены были искажены, слиты или открыты — изменения, которые могли повлиять на их производительность в экспериментах по инерционному удержанию термоядерного синтеза. Такого рода информация может быть использована для оптимизации методов изготовления пены и адаптации этих материалов для экспериментов по термоядерному синтезу.
Эта совместная работа опиралась на экспертизу материалов из Национальной лаборатории Лоуренса Ливермора, где исследователи проводят эксперименты по инерционному удержанию термоядерного синтеза в Национальном центре зажигания, экспертизу когерентной визуализации из Лос-Аламоса и Университета имени Бригама Янга, а также экспериментальные проектные работы с экспертизой ускорительной науки из SLAC.
«Я думаю, что эта работа — действительно замечательный пример того, что подобные эксперименты возможны только при наличии разностороннего опыта в разных областях и в таких уникальных местах, как SLAC», — сказал Карр.
Исследователи надеются, что их работа принесет пользу. как трамплин для будущих экспериментов по визуализации. Они планируют применить эту технику к другим материалам, связанным с термоядерным синтезом, и Глисон сказал, что ее также можно распространить на другие мультиматериальные, наноразмерные структуры или даже хрупкие образцы. Информация от дополнительных датчиков может быть использована для изучения трехмерных наноструктур образцов с течением времени или составления карты распределения в них различных химических веществ.
Дополнительная информация: Адра Карр и др., Морфология медных нанопен для радиационной гидродинамики и термоядерных применений, исследованная с помощью 3D-птихотомографии, Nano Letters (2024). DOI: 10.1021/acs.nanolett.4c02289
Информация журнала: Nano Letters
Предоставлено Национальной ускорительной лабораторией SLAC
