Hiệu suất của bọt kim loại và polyme được sử dụng trong phản ứng tổng hợp quán tính (ICF), năng lượng nhiệt hạch quán tính (IFE) và các thí nghiệm mật độ năng lượng cao (HED) hiện bị hạn chế thông tin về cấu trúc nano của chúng và sự biến đổi trong vật liệu khối. Các nhà khoa học mới đây đã sử dụng kỹ thuật chụp ảnh tia X laser điện tử (XFEL) cùng với các kỹ thuật chụp ảnh tia X không thấu kính để thăm dò hình thái 3D của bọt đồng ở độ phân giải nano (28nm). Hình thái quan sát được của lớp vỏ mỏng đa dạng hơn so với các đặc điểm trước đó, với số lượng lớn bị biến dạng, hợp nhất và mật độ khối lượng thấp hơn 14% so với tính toán. Thông tin ở cấp độ nano này có thể được sử dụng để cung cấp trực tiếp và cải tiến các phương pháp chế tạo và mô hình hóa bọt nhằm tạo ra phản ứng vật liệu phù hợp cho các thí nghiệm HED.
Các phản ứng tổng hợp của mặt trời đẩy nhiệt độ của nó lên hàng nghìn độ và ngày nay các nhà khoa học đang tìm cách tái tạo các quá trình cung cấp năng lượng cho các ngôi sao này trong phòng thí nghiệm như một phương tiện tạo ra năng lượng sạch. Một trong những phương pháp đang được quan tâm là dựa trên các thí nghiệm năng lượng nhiệt hạch quán tính. Tuy nhiên, để chúng hoạt động được thì nhiên liệu nhiệt hạch phải được giữ ở cấu hình chính xác phù hợp với phương pháp đầy sử dụng bọt nano. Vấn đề là không ai chắc chắn những bọt nano này hoạt động tốt như thế nào vì các kỹ thuật hiện tại hoặc phá hủy chúng hoặc thiếu độ phân giải để nghiên cứu chúng một cách chi tiết. Mới đây, các nhà khoa học công bố rằng họ đã phát triển một kỹ thuật chụp ảnh tia X tận dụng các đặc tính độc đáo kết hợp Linac (LCLS) tại Phòng thí nghiệm máy gia tốc quốc gia SLAC (Hoa Kỳ) để phân giải cấu trúc nano 3D của bọt đồng với mức độ chính xác dựa trên các thí nghiệm nhiệt hạch.
Các nhà nghiên cứu đã tạo ra hình ảnh của bọt nano đồng với sự trợ giúp từ tia X và Linac của SLAC (Nguồn: Phòng thí nghiệm quốc gia Adra Carr/Los Alamos)
Adra Carr, nhà khoa học nghiên cứu tại Phòng thí nghiệm quốc gia Los Alamos và là tác giả chính của công trình được công bố trên Nano Letters ngày 1/8/2024, cho biết: “Kỹ thuật thể tích 3D này với tia X laser điện tử tự do là phép đo đầu tiên”. Kỹ thuật này dựa trên kỹ thuật chụp ảnh ptychographic, tạo ra hình ảnh bằng cách xử lý các mẫu photon phân tán ra khỏi mẫu. Các nhà nghiên cứu đã phân tán tia laser điện tử tự do tia X của LCLS ra khỏi các mẫu bọt đồng, sau đó sử dụng thuật toán máy tính để “tái tạo” mẫu ban đầu. Các thuật toán này nhập các mẫu tán xạ photon đã thu thập được, cuối cùng là tái tạo lại bọt đồng với độ phân giải ở cấp độ nano. Việc xoay các mẫu cho phép chúng hiển thị cấu trúc của chúng ở dạng 3D.
Các thí nghiệm đã được thực hiện tại Cơ sở chụp ảnh tia X (XPP) của LCLS tại Phòng thí nghiệm máy gia tốc quốc gia SLAC. Nguồn tia X 8,895 keV được sử dụng với bộ đơn sắc silicon được chiếu bằng chùm tia màu hồng. Mẫu được lấy ở mức 10 Hz để kiểm tra hoạt động LCLS II từ chùm tia tới. Với hệ đầu dò đủ lớn, các nhà khoa học cũng đã chứng minh rằng thuật toán ptychographic hoạt động hiệu quả đối với mẫu chùm tia này. Các kỹ thuật áp dụng nhằm giảm biến động năng lượng chùm tia bao gồm việc sử dụng hệ lỗ kim 140 µm của bộ phận quang học lấy nét ban đầu để lấp đầy bộ phận quang học lấy nét và phân bổ năng lượng điện tử của bộ đơn sắc sau FWHM 8 MeV. Bốn mươi thấu kính khúc xạ hợp chất berili (CRL) được sử dụng để tạo ra kích thước điểm hiệu quả ∼2,4 µm trên mẫu và khoảng cách CRL-đến mẫu là 3 mm. Một viên sapphire đơn tinh thể 100 µm (10 mm x 10 mm) được sử dụng làm bộ hiệu chỉnh pha đầu dò ở giữa bộ phận quang học lấy nét và mẫu để “làm phẳng” đặc tính cường độ của đầu dò và tránh các điểm nóng có thể làm hỏng mẫu. Máy dò Jung Frau 1M với kích thước pixel 75 µm và tổng kích thước máy dò là 1030 x 1064 pixel được sử dụng cho mẫu nhiễu xạ với khoảng cách từ mẫu đến máy dò là 4,147 m. Mỗi phép chiếu ptychographic gồm ∼ 3300 vị trí quét theo kiểu quét cố định với mức phơi sáng được tính thời gian để chỉ 1 lần chụp cho mỗi vị trí quét.
Arianna Gleason, nghiên cứu viên cao cấp tại SLAC và là đồng tác giả của nghiên cứu cho biết: “Kỹ thuật mới này tận dụng sự kết hợp và độ sáng của tia X laser điện tử tự do”. Hình ảnh tạo ra cho thấy lớp xốp đồng không đồng đều như mong đợi. Nhiều lớp vỏ xốp mỏng bị biến dạng, sáp nhập hoặc mở – những biến thể có thể ảnh hưởng đến hiệu suất của chúng trong các thí nghiệm tổng hợp quán tính. Thông tin đó có thể được sử dụng để tối ưu hóa các phương pháp chế tạo bọt và điều chỉnh các vật liệu này cho các thí nghiệm nhiệt hạch. Thông tin từ các cảm biến bổ sung có thể được kết hợp để nghiên cứu cấu trúc nano 3D của các mẫu theo thời gian hoặc lập bản đồ phân bố của chúng đối với các loại hóa chất khác nhau.
Từ khóa: bọt nano; chụp ảnh tia X;
– CMD –
