Você não pode ver bem sem lentes que podem focar, se essas lentes estão em seu olho ou no microscópio através do qual você olha. Uma forma inovadora de focalizar feixes de nêutrons pode permitir aos cientistas sondar o interior de objetos opacos em uma faixa de tamanho que eles não conheciam anteriormente, permitindo que explorem as entranhas de objetos, de meteoritos a materiais manufaturados de última geração, sem danificá-los.

O método, publicado hoje em Cartas de revisão física , poderia converter o que historicamente tem sido uma ferramenta de suporte para a ciência de nêutrons em uma técnica de varredura completa que pode revelar detalhes que variam em tamanho de 1 nanômetro a 10 micrômetros dentro de objetos maiores. A abordagem fornece esta ferramenta, conhecido como interferometria de nêutrons, com o que são essencialmente suas primeiras "lentes" móveis capazes de aproximar e afastar detalhes nesta faixa de tamanho - uma faixa que tem sido difícil de sondar, mesmo com outros métodos de varredura de nêutrons.

Mais precisamente, essas "lentes" são pastilhas de silício que atuam como grades de difração, que tiram vantagem das propriedades ondulatórias dos nêutrons. As grades se dividem e redirecionam um feixe de nêutrons de modo que as ondas ricocheteiam nas bordas de um objeto e, em seguida, colidem umas com as outras, criando um padrão de interferência moiré visível representativo do objeto que é fácil para os especialistas interpretarem.

O método foi desenvolvido por uma equipe de pesquisadores do Instituto Nacional de Padrões e Tecnologia (NIST), os Institutos Nacionais de Saúde (NIH), e a Universidade de Waterloo do Canadá. De acordo com Michael Huber do NIST, a abordagem poderia tornar a interferometria de nêutrons uma das melhores ferramentas exploratórias em um kit de cientista de materiais.

"Podemos olhar para a estrutura em muitos níveis e escalas diferentes, "disse Huber, um físico do Laboratório de Medição Física do NIST que conduz experimentos no NIST Center for Neutron Research (NCNR). "Ele poderia complementar outras técnicas de digitalização porque sua resolução é muito boa. Tem uma capacidade dramática de foco, e não estamos limitados a olhar para finas fatias de material como com outros métodos - podemos facilmente olhar dentro de um grosso pedaço de rocha. "

A interferometria é uma especialidade no mundo da ciência de nêutrons. Antes que os cientistas possam sondar o interior de um objeto com um feixe de nêutrons, eles devem primeiro possuir alguns detalhes fundamentais sobre como os nêutrons irão refletir na estrutura atômica do objeto. Um desses detalhes é o índice de refração de uma substância, um número que indica o quanto ele dobrará o feixe na direção em que está viajando. (A água curva a luz de uma maneira semelhante - é por isso que seu braço parece que se curva quando você o mergulha na piscina.) A interferometria de nêutrons é a melhor maneira de obter essa medição crucial.

A interferometria de nêutrons também tem potencial para outros usos na física fundamental, como medir com precisão a constante gravitacional. É sensível o suficiente para detectar como a força gravitacional de um objeto pode desviar nêutrons, assim como a Terra atrai uma bola voadora (e vice-versa). Mas o calcanhar de Aquiles do método de nêutrons tem sido o quão lento ele funciona. Para focar nêutrons em uma amostra de material, um interferômetro precisava de um cristal esculpido em dimensões precisas em um único bloco grande de caro, silicone de alta qualidade. (Outras técnicas de nêutrons podem se contentar com cristais de qualidade muito inferior.)

Infelizmente, cristais que são bons o suficiente para interferometria também bloqueiam a maioria dos nêutrons que os atingem, o que significa que leva muito tempo para um feixe enviar nêutrons suficientes através de uma amostra para obter um índice preciso de refração. Outras tarefas levariam muito mais tempo.

“As fontes de nêutrons já são muito fracas, "disse Dmitry Pushin de Waterloo." Levaria cem anos para obter uma boa resposta a questões fundamentais como o valor da constante gravitacional. "

A nova abordagem contorna esses problemas usando um trio de grades de silício finas para focar os nêutrons em vez de um único cristal caro. Sob um microscópio, a superfície plana de cada grade se parece com um pente estreito, dentes bem espaçados. As grades não apenas permitem que todo o feixe de nêutrons passe por elas - em vez do filete de nêutrons que passa pelo cristal - elas têm a vantagem fundamental de serem móveis.

"Você se concentra movendo a grade uma fração de milímetro, "Huber disse." É leve, mas não é difícil.

Demonstrado no NIST Center for Neutron Research, a abordagem da equipe se baseia em uma descoberta feita inicialmente no NIH, onde os cientistas estavam experimentando a aplicação de grades em feixes de raios-X e notaram um padrão moiré se formando em seu imageador visual.

"A ideia foi desenvolvida por nosso laboratório para capturar a imagem de materiais em que os raios X viajam em velocidades ligeiramente diferentes das do ar, como o próprio corpo humano, "disse Han Wen, investigador sênior do National Heart do NIH, Pulmão, e Instituto de Sangue. "Central para esta ideia são grades de raios-X, que foram feitos com as ferramentas altamente especializadas nas instalações do NIST Nanofab. "

Fortuitamente, os cientistas do NIST e Waterloo encontraram os membros da equipe do NIH em uma conferência e iniciaram uma colaboração, suspeitando que as grades funcionariam tão bem para nêutrons quanto para raios-X. A equipe do NIH trouxe as grades de volta para o NIST, onde eles foram montados no interferômetro de nêutrons.

Depois de resultados igualmente bons no NCNR, Huber disse que apenas uma coisa impede que seu interferômetro se torne uma grande ferramenta para a indústria:eles precisam de um conjunto de aberturas de diferentes larguras pelas quais o feixe de nêutrons passará antes de atingir o interferômetro. Agora mesmo, eles só têm uma única abertura à sua disposição, e isso limita sua visão.

"Podemos ver a gama completa de 1 nanômetro a 10 micrômetros agora, mas a imagem está meio borrada porque não recebemos dados suficientes, "disse ele." Cada abertura diferente nos dá outro ponto de dados, e com pontos suficientes, podemos começar a fazer análises quantitativas da microestrutura de um material. Esperamos conseguir um conjunto de talvez cem, o que nos permitiria obter informações quantitativas detalhadas. "

A equipe já escaneou o interior de um bloco de granito que contém uma mistura de quatro minerais diferentes, e a varredura mostra os detalhes de onde fica cada pedaço de mineral. Huber disse que o método seria bom para varreduras não invasivas de objetos porosos como meteoritos ou materiais manufaturados, como géis ou espumas, que são a base de muitos produtos de consumo.

"Também esperamos poder finalmente fazer essa medição da constante gravitacional, "disse ele." Poderíamos colocar um grande bloco de algum metal pesado como o tungstênio por perto e ver como ele dobra a viga. Isso melhoraria nossa compreensão do universo e não demoraria mais do que nossas vidas. "

Esta história foi republicada por cortesia do NIST. Leia a história original aqui.