Pela primeira vez, pesquisadores capturaram imagens de tomografia de nêutrons em cerca de um segundo, quase uma ordem de magnitude mais rápida do que as tentativas relatadas anteriormente. Até recentemente, longos tempos de aquisição de imagens têm sido o principal obstáculo para o uso dessa técnica não invasiva para estudar processos dinâmicos 3-D, como a troca de água entre as raízes e o solo.

"A capacidade de adquirir imagens tão rapidamente nos permite capturar, com detalhes sem precedentes, os processos rápidos envolvidos quando as raízes absorvem água e outros nutrientes do solo, "disse Christian Tötzke, que liderou a equipe de pesquisa da Universidade de Potsdam. "Uma melhor compreensão dessas interações raiz-solo pode ajudar a otimizar a eficiência do uso da água e a produção agrícola, o que poderia ajudar a atender às maiores demandas de uma população mundial crescente e recursos limitados. "

No jornal The Optical Society (OSA) Optics Express , um grupo multi-institucional de pesquisadores descreve como eles alcançaram tempos de imagem recordes para tomografia de nêutrons. A pesquisa faz parte de um esforço contínuo para estudar a influência significativa que as raízes têm nas propriedades físicas e químicas do solo circundante.

"Como os nêutrons são altamente sensíveis ao hidrogênio - incluindo compostos que contêm hidrogênio como a água - a imagem de nêutrons de alta velocidade pode ser usada para visualizar as raízes das plantas enquanto mapeia simultaneamente a mudança na distribuição da água no solo, "disse Tötzke." Também poderia ser usado para estudar outros processos de transporte dinâmico, como a transferência de fluidos em sistemas de materiais porosos naturais ou projetados. "

Por exemplo, A tomografia de nêutrons de alta velocidade pode revelar novos insights sobre a dinâmica que ocorre durante o fraturamento hidráulico e ser usada para estudar o comportamento do lítio dentro das baterias para aumentar sua durabilidade e segurança.

Capturando interações raiz-solo

Como as plantas absorvem água e nutrientes do solo depende fortemente das propriedades de transporte do solo próximo às raízes, uma área conhecida como rizosfera. Uma melhor compreensão das interações raiz-solo requer que os cientistas aprendam mais sobre como as mudanças estruturais e bioquímicas na rizosfera afetam como a água e os nutrientes fluem para as raízes.

A imagem de nêutrons é ideal para esta aplicação porque, quando os nêutrons interagem com átomos como hidrogênio e lítio, eles se tornam altamente visíveis, enquanto metais como alumínio e titânio são quase sempre transparentes. Esta abordagem de imagem também distingue os isótopos de hidrogênio, permitindo que uma molécula de água isotopicamente mais pesada, conhecida como água deuterada, seja usada como agente de contraste. Este tipo de água também é bem tolerado pelas plantas.

Contudo, a velocidade de aquisição relativamente lenta da imagem de nêutrons tornou um desafio seu uso para estudos 3-D resolvidos no tempo de processos rápidos como a absorção de água. Uma fonte de nêutrons disponível na instalação de imagem recém-inaugurada NeXT-Grenoble no Instituto Laue-Langevin pode fornecer a energia necessária para imagens de nêutrons mais rápidas.

Desenvolvendo uma configuração de imagem rápida

"NeXT-Grenoble tem o fluxo de nêutrons frios mais intenso do mundo para fins de imagem, "disse Tötzke." No entanto, fazer uso deste alto fluxo exigiu que otimizássemos os parâmetros de aquisição, que desafiou os limites da tecnologia disponível. "

Os pesquisadores desenvolveram uma configuração de imagem para imagens rápidas que incluía uma tela cintiladora altamente eficiente que converte nêutrons em luz visível e uma câmera CMOS científica com uma alta taxa de quadros. Eles usaram essa configuração para estudar a absorção de água do sistema radicular de uma planta de tremoço, que girava a uma velocidade constante enquanto as imagens eram tiradas continuamente.

"Os dados que adquirimos superaram as expectativas não apenas em termos de taxa de aquisição, mas também na relação sinal-ruído e resolução espacial geral, mostrando que esta abordagem era perfeitamente adequada para estudar como o solo e a água interagem com as raízes, "explicou Tötzke.

Agora que os pesquisadores demonstraram a viabilidade técnica da tomografia rápida de nêutrons, eles planejam projetar câmeras mais rápidas e melhores estágios de rotação especificamente para esta aplicação. Eles também querem tentar ajustar o fluxo de nêutrons para impulsionar ainda mais a resolução temporal dessa técnica. A configuração de imagem rápida também será incorporada ao instrumento NeXT em Grenoble para que outros cientistas possam usá-lo para estudar processos de transporte rápido.