שיטה חדשה המשלבת את היתרונות של קרני-רנטגן ו-CT

חוקרים מהמעבדה הלאומית ברוקהייבן של משרד האנרגיה של ארה”ב בשיתוף פעולה עם מדענים מאוניברסיטת קולומביה הצליחו לפתח סוג חדש של מכשיר קרינת רנטגן – דרך להציץ פנימה אל תוך העולם האמתי של התקנים ננומטריים

ננו-חומרים המורכבים מחלקיקים בעלי גדלים הנמדדים במיליארדית המטר אוצרים בתוכם הבטחה כבירה ליצירת סוללות, תאי דלק, זרזים ומערכות לאספקת תרופות, שיהיו הרבה יותר יעילים מהיום. הצפייה באופן שבו חומרים ננומטריים אלו משתנים ומגיבים בתוך ההתקנים בזמן פעולתם הינה חיונית לשם קבלת תובנות שיאפשרו לשפר עוד את הביצועים של התקנים אלו. אולם ברוב המחקרים המדענים הצליחו להביט בדוגמאות מושלמות של הרכיבים הבודדים, ולא בפעולתם המעשית בתוך התקן פעיל.

כעת, קבוצה של חוקרים מהמעבדה הלאומית ברוקהייבן של משרד האנרגיה של ארה”ב בשיתוף פעולה עם מדענים מאוניברסיטת קולומביה הצליחו לפתח סוג חדש של מכשיר קרינת רנטגן – דרך להציץ פנימה אל תוך העולם האמתי של התקנים על מנת למפות את ננו-המבנים הפנימיים בהם ואת התכונות של רכיביהם השונים, ואפילו את השתנותן של התכונות במהלך פעילותו של ההתקן. שיטת הדימות הכפולה החדשה, שתוארה בפרוט בכתב-העת המדעי Nature Communications, משלבת קרינת רנטגן עתירת-עוצמה הפועלת על מבנים ננומטריים יחד עם קבלת “פרוסות” של חתך-רוחב של ההתקן לשם זיהוי המיקום המדויק של הרכיבים הננומטרים. השיטה החדשה פותחת צוהר להזדמנויות חדשות להתקדמות במגוון רחב של תחומי מחקר, החל ממדעי החומרים ועד ביו-חומרים, גיאולוגיה, מדעי הסביבה ורפואה.

“אם תחשוב על סוללה הכוללת בתוכה אנודה, הנמצאת בסמוך לקרומית, הנמצאת היא בסמוך לאלקטרוליט מוצק, בסמוך לקרומית נוספת, בסמוך לקתודה, כאשר הכל עטוף בתוך מיכל פלדה, כל ההתקן הזה די אטום למבט מבחוץ,” מסביר Simon Billinge, אחד מהכותבים הראשיים של המאמר וחוקר באוניברסיטת קולומביה וגם במעבדה הלאומית. “מה שאנו יכולים לעשות כעת, בעזרת שיטת הדימות החדשה הכפולה שלנו, היא להביט פנימה לתוך הסוללה ולחלץ תמונה של ננו-המבנים של כל אחד מהחלקים הנפרדים שבתוך הסוללה, ואנו יכולים לעשות זאת מבלי לפרק את הסוללה, ובמהלך פעילותה הרגילה, כך שאפשר לעקוב אחר התהליכים הכימיים המתרחשים בתוכה.”

קרני-הרנטגן המשמשות בשיטה החדשה אינן מהסוג המשמש תדיר לדימות של עצם שבורה. במקום זאת, הקרניים הן עוצמתיות, בעלות אלומות זעירות ומסוגלות לייצר אנרגיות גבוהות מאוד בזכות מקור אור מסוג סינכרוטרון (סוג של מאיץ חלקיקים, Synchrotron), מכשיר מדעי מדויק הנמצא במרכזי מחקר נבחרים בעולם כולו. קרני-הרנטגן מאפשרים מדידת המרחקים שבין זוגות אטומים ומדידה זו מאפשרת לקבוע את המבנה הננומטרי של החומר הנבדק.

תמונות בקנה-מידה גדול של חתך-הרוחב של פרוסות של החומר המתקבלות בזויות “צילום” מרובות בעזרת מכשיר של טומוגרפיה ממוחשבת (CT) – הדומה למכשיר בו משתמשים הרופאים לבדיקת פציעות ראש לאחר חבטת ראש – מספקות למדענים את המידע המרחבי הנדרש להם על מנת לגבש מיפוי תלת-ממדי של רכיבי ההתקן ו”להניח” את המידע אודות המבנה הננומטרי על גבי מיפוי זה.

“כל אחת מהשיטות הנפרדות (קרני-רנטגן ו-CT) היא בעלת עוצמה משל עצמה, אולם השילוב שלהן יחדיו מספק לנו תמונה חדשה לחלוטין,” מציין החוקר הראשי. “לראשונה אי-פעם אנו יכולים להפריד את האותות של ננו-המבנים המתקבלים מהחלקים השונים של התקן פעיל ולראות כיצד מתנהגים האטומים השונים בכל נקודה ונקודה, וכל זאת מבלי לפרק את ההתקן לרכיביו השונים.” בדומה לשיטות דימות אחרות שהיו בעלות השפעה מכרעת וכבירה בתחומי הבריאות ומדעי הפיזיולוגיה והנוירולוגיה, שיטה זו מציעה נגישות חסרת-תקדים ליחסי הגומלין הפנימיים של חומרים ברמתם הננומטרית.

על מנת להדגים את השיטה החדשה, המדענים הכינו תמונות של מבנה מורכב של חומר הכולל בתוכו תערובת של מספר חומרים אמורפיים וגבישיים-למחצה. החוקרים הצליחו להבדיל בין סוגי הרכיבים השונים שבתוך התערובת בקלות רבה. בשלב הבא הם השתמשו בשיטה על מנת לבחון את המבנה הפנימי של זרז הנפוץ בתעשייה הכימית ואשר מורכב מננו-חלקיקי פלאדיום המקובעים על גביי מצע של תחמוצת אלומיניום. “יעילותם של תהליכים תעשייתיים רבים תלויה בביצועים של זרזים המקובעים על גביי מצע מבני, ולפיכך, חשוב מאוד להבין כיצד הם מתקבלים ופועלים הלכה למעשה,” מסביר החוקר הראשי.

השיטה הצליחה להראות באופן ברור פיזור בלתי-אחיד של חלקיקים, כאשר החלקיקים הגדולים יותר נמצאים על גביי המצע והקטנים יותר בתוך החומר עצמו. “לא ברור מתוך מחקר זה אם הפעילות הקטליטית המשמעותית נובעת מהחלקיקים הגדולים והרבים יותר הנמצאים בהיקף, או שהיא נובעת מהחלקיקים הקטנים יותר הנמצאים במרכז,” אומר החוקר. “אולם, בעזרת השימוש בשיטה שלנו, המכונה בשםPDF-CT לשם ניטור הזרז בזמן פעילותו, אפשר כעת לספק תמונה שלמה יותר באשר למבנה הזרז והתהליכים העוברים עליו במהלך פעילותו, וכך ניתן להבין את יחסי הגומלין באופן ברור יותר, ובסופו של דבר, לשפר את הזרזים שיפותחו בעתיד.”

הידיעה על המחקר
תקציר המאמר המקורי