Nova técnica de imagem de raios X resolve nanoespumas relacionadas à fusão em 3D

As reações de fusão do Sol elevam suas temperaturas a milhares de graus, e hoje os cientistas estão tentando recriar esses processos que alimentam as estrelas em laboratório como um meio de energia limpa alternativa.

Uma via são os experimentos de energia de fusão inercial, mas para que eles funcionem, o combustível de fusão deve ser mantido precisamente na configuração correta, com uma abordagem promissora sendo usar uma espuma porosa. O problema é que ninguém tem certeza de quão bem essas nanoespumas funcionam porque as técnicas existentes as destroem ou não têm resolução para estudá-las em detalhes.

Agora, pesquisadores relatam que desenvolveram uma técnica de imagem de raios X que aproveita as propriedades exclusivas da Fonte de Luz Coerente Linac (LCLS) no Laboratório Nacional de Aceleradores SLAC do Departamento de Energia para resolver a nanoestrutura 3D de uma espuma de cobre com um nível de precisão relevante para experimentos de fusão.

“Este tipo de técnica de volume 3D em um laser de elétrons livres é uma medição inédita”, disse Adra Carr, cientista pesquisadora do Laboratório Nacional de Los Alamos e principal autora do trabalho publicado em Letras Nano em 1º de agosto.

A técnica é baseada em imagens pticográficas, que geram imagens processando os padrões de fótons espalhados de uma amostra. Os pesquisadores espalharam o laser de elétrons livres de raios X do LCLS em amostras de espuma de cobre e, em seguida, usaram algoritmos de computador para “reconstruir” a amostra original. Esses algoritmos inserem os padrões de espalhamento de fótons coletados, reconstruindo, por fim, a espuma de cobre com resolução em nanoescala. Girar as amostras permitiu que eles renderizassem sua estrutura em 3D.

“Esta nova técnica alavanca a coerência e o brilho do laser de elétrons livres de raios X”, disse Arianna Gleason, cientista sênior da equipe do SLAC e autora correspondente do novo estudo. “Conseguimos interrogar a espuma de uma forma que poucos outros métodos conseguiriam.”

As imagens geradas mostraram que a espuma de cobre não é tão uniforme quanto o esperado. Muitas das finas cascas de espuma estavam distorcidas, fundidas ou abertas — variações que poderiam afetar seu desempenho em experimentos de fusão por confinamento inercial. Esse tipo de informação poderia ser usado para otimizar métodos de fabricação de espuma e adaptar esses materiais para experimentos de fusão.

Este trabalho colaborativo contou com a experiência em materiais do Laboratório Nacional Lawrence Livermore, onde pesquisadores conduzem experimentos de fusão por confinamento inercial no National Ignition Facility, experiência em imagens coerentes de Los Alamos e da Universidade Brigham Young e esforços de design experimental com experiência em ciência de aceleradores do SLAC.

“Acho que esse trabalho é um exemplo realmente maravilhoso de como esses tipos de experimentos só são possíveis com conhecimentos diversos em vários campos e em lugares únicos como o SLAC”, disse Carr.

Os pesquisadores esperam que seu trabalho atue como um trampolim para futuros experimentos de imagem. Eles planejam aplicar essa técnica a outros materiais relacionados à fusão, e Gleason disse que ela também poderia ser estendida a outras estruturas multimateriais, em nanoescala, ou mesmo amostras frágeis. Informações de sensores adicionais poderiam ser incorporadas para estudar as nanoestruturas 3D de amostras ao longo do tempo ou mapear sua distribuição de diferentes espécies químicas.