Новая методика делает трехмерную дифракцию рентгеновских лучей, известную как 3DXRD, более доступной, потенциально позволяя проводить быстрый анализ образцов и прототипов в академических кругах и промышленности, а также предоставляя больше возможностей студентам.

3DXRD реконструирует 3D-изображения с помощью рентгеновских лучей, снятых под разными углами, аналогично компьютерной томографии. Вместо устройства визуализации, вращающегося вокруг пациента, образец материала шириной в несколько миллиметров вращается на подставке перед мощным лучом, пропускающим примерно в миллион раз больше рентгеновских лучей, чем медицинский рентген.

Огромная концентрация рентгеновского излучения позволяет получить микроскопическое изображение крошечных расплавленных кристаллов, из которых состоит большинство металлов, керамики и горных пород, известных как поликристаллические материалы.

Результаты помогают исследователям понять, как материалы реагируют на механические напряжения, измеряя объем, положение, ориентацию и деформацию тысяч отдельных кристаллов. Например, визуализация образца стальной балки при сжатии может показать, как кристаллы реагируют на нагрузку здания, помогая исследователям понять масштабный износ.

Синхротроны когда-то были единственными установками, способными генерировать достаточное количество рентгеновских лучей для 3DXRD, поскольку электроны испускают пучки рентгеновских лучей при прохождении через кольцевые ускорители частиц, которые затем могут быть направлены в образец.

В то время как синхротронные рентгеновские лучи позволяют получать самые современные детали, во всем мире насчитывается всего около 70 установок. Исследовательские группы должны подготовить проектные предложения для "времени луча". Принятые проекты часто должны ждать от шести месяцев до двух лет, чтобы провести свои эксперименты, которые ограничены максимум шестью днями.

Стремясь сделать эту технологию более доступной, исследовательская группа совместно с PROTO Manufacturing разработала на заказ первый лабораторный 3DXRD. В целом прибор имеет размеры ванной комнаты в жилом помещении, но может быть уменьшен до размеров чулана для метел.

"Этот метод дает нам такие интересные данные, что я хотела создать возможность попробовать что-то новое, что сопряжено с высоким риском, высокой наградой и позволяет студентам проводить обучающие мероприятия без времени ожидания и давления синхротронного луча", - сказала Эшли Буксек, доцент кафедры машиностроения и материаловедения Калифорнийского университета. и инженер, а также соавтор исследования, опубликованного в Nature Communications.

Ранее малогабаритные устройства не могли генерировать достаточное количество рентгеновских лучей для 3DXRD, потому что в определенный момент электронный луч подает столько энергии на анод - твердую металлическую поверхность, на которую ударяются электроны, образуя рентгеновские лучи, - что он расплавлялся. В Lab-3DXRD используется жидкометаллический струйный анод, который уже является жидким при комнатной температуре, что позволяет ему потреблять больше энергии и производить больше рентгеновских лучей, чем когда-либо было возможно при таком масштабе.

Исследователи протестировали конструкцию, отсканировав один и тот же образец титанового сплава тремя методами: лабораторным-3DXRD, синхротронным-3DXRD и лабораторной дифракционно-контрастной томографией или LabDCT - методом, используемым для отображения кристаллических структур в 3D без информации о деформации.

Lab-3DXRD был высокоточным, и 96% собранных им кристаллов совпадали с двумя другими методами. Он особенно хорошо работал с более крупными кристаллами размером более 60 микрометров, но не справился с некоторыми кристаллами меньшего размера. Исследователи отмечают, что добавление более чувствительного детектора для подсчета фотонов, который распознает рентгеновские лучи, используемые для построения изображений, могло бы помочь улавливать мельчайшие кристаллы.

Имея в распоряжении эту технику, исследовательская группа Буксека может проводить новые эксперименты, оттачивая параметры для подготовки к более масштабному эксперименту на синхротроне.

"Lab-3DXRD похож на хороший телескоп на заднем дворе, в то время как synchrotron-3DXRD - это телескоп Хаббла. Все еще существуют определенные ситуации, когда вам нужен "Хаббл", но теперь мы хорошо подготовлены к этим большим экспериментам, потому что можем опробовать все заранее", - сказал Букшек.

Помимо обеспечения более доступных экспериментов, lab-3DXRD позволяет исследователям расширять проекты за пределы шестидневного срока работы синхротрона, что особенно полезно при изучении циклических нагрузок - того, как материал реагирует на повторяющиеся нагрузки в течение тысяч циклов.

Первый автор и соавтор-корреспондент Сынги О, научный сотрудник в области машиностроения на момент проведения исследования, в настоящее время работает в отделе рентгеновских исследований Аргоннской национальной лаборатории.

Исследование финансируется Национальным научным фондом (CMMI-2142302; DMR-1829070) и Министерством энергетики США (премия DE-SC0008637).

Исследователи из PROTO Manufacturing также внесли свой вклад в исследование.

Лабораторная томография была проведена в Мичиганском центре характеристики материалов.

Исследование: Перенос трехмерной дифракции рентгеновских лучей (3DXRD) с синхротрона в лабораторный масштаб (DOI: 10.1038/s41467-025-58255- x)