Her skal de granske mikrostrukturer i ulike materialer på et nivå man hittil ikke har vært i stand til

Med åpningen av det avanserte røntgenanlegget Max IV i Lund i Sverige for to år siden, er Øresundsregionen i ferd med å utvikle seg til et europeisk sentrum for bildeanalyse av materialer.

Dette foregår med DTU Compute i fronten, og den posisjonen kommer nok til å bli ytterligere styrket når nøytronsprednings-fasiliteten ESS åpner som nabo til Max IV i Lund om fem år.

Max IV, som har kostet cirka 3,2 milliarder norske kroner å bygge, tilhører klassen av såkalte synkrotroner rett under de aller største som det felleseuropeiske anlegget; European Synchrotron Radiation Facility i Grenoble.

Synkrotronen har de mye nytte av på DTU Compute, hvor Anders Bjorholm Dahl forsker i bildeanalyse og datavisjons-systemer.

• Nanosmått: Nå kommer delene som gjør at elektronikk knapt bruker strøm

Oppløsning: 25 nanometer

– Hva kan danske bildeforskere bruke synkrotronen på Max IV i Lund til?

– Bildeanalysene fra synkrotronen brukes spesielt til materialforskning, fordi man kan analysere bilder med en ekstrem oppløsning. I dag kan de beste medisinske skannerne levere en oppløsning på ned til 0,2 mm, sier Anders Bjorholm Dahl, som er professor MSO og leder av Sektion for bildeanalyse og computergrafik på DTU Compute (Danmarks Tekniske Universitet).

I synkrotronen i Lund, hvor en pulset lysstråling dannes ved at elektronene farer rundt i ring tett oppunder lysets hastighet, er intensiteten opptil 12 størrelsesordener høyere enn den i en medisinsk skanner.

– Det innebærer at du kan se mye mer, og i en markant høyere romlig og tidsmessig oppløsning. Konkret kan vi få bilder med en oppløsning på ned til 25 nanometer.

• Juks: Da forskerne analyserte grafen fra 60 forskjellige produsenter, fant de ut at det meste bare var grafittpulver (TU Ekstra)

Hittil usette materialstrukturer

Det gjør bildeforskerne i stand til å se mikrostrukturer på materialer, som man tidligere ikke har vært i stand til. Det kan for eksempel være i metall, polymer eller energimaterialer.

I forskningsprosjektet Cinema, som DTU er en del av, har man for eksempel bygd en dynamisk 3D-model av en brenselcelle mens den kjøres ved høye temperaturer. De har også foretatt undersøkelser av det fiberkomposittmaterialet som brukes i vindmøllevinger.

Her ga de ekstremt detaljerte 3D-bildene mulighet for å finne nye forklaringer på hvorfor det oppstår brudd i materialet.

– Hva er synkrotronens største fordel i forhold andre metoder?

– I dag er alternativet til synkrotronen å bruke såkalt elektronmikroskopi, som faktisk kan gi en litt høyere oppløsning. Men her er det vanskeligere å lage en fullstendig 3D-model, noe som gir mer unøyaktige analyser, og man kan heller ikke foreta de dynamiske prosessene som er mulige på synkrotronen, forteller Anders Bjorholm Dahl.

• Aeolus: Den var nesten umulig å bygge. Nå skal ESAs mareritt-satellitt gi bedre værmeldinger

Fluemuskler under lupen

Fem av de 20 målestasjonene på synkrotronen er satt opp til bildeanalyse, og brukes til å gjøre såkalte volumetriske bildeanalyser. Og grensene for hva man kan bruke røntgenfasilitetene til er nesten ubegrensede.

En av Anders Bjorholm Dahls kolleger, Rajmund Mokso (Max IV), har for eksempel gjennomført et dynamisk studium av en flues bevegelser.

– Det fungerte lavpraktisk ved at de limte fast en flue til en pinne, som deretter ble fotografert i synkrotronen, inntil fluen døde av røntgenstrålingen – det tok cirka tre sekunder. Det var nok til å utarbeide 3D-bilder av de indre strukturene av fluens sykliske bevegelser, som avslørte hvordan fluens store muskler ble brukt til å bevege vingen, mens andre små muskler ble brukt til å styre retningen på fluens flytur, forteller Anders Bjorholm Dahl.

Dette gav en unik kunnskap om hvorfor en flue kan reagere så raskt og endre retning.

• Kjerneuret kommer: Kan slå atomuret i både nøyaktighet og stabilitet

Ett sekund og én forsker

Bildeforskere sier ofte for spøk at det bare tar et sekund å ta et bilde, men det tar en forskerutdannelse å analysere det. Derfor blir bildeanalysen ofte flaskehalsen i større materialforskningsprosjekter. For mens det er enkelt å ta bilder, kan det være vanskelig å kvantifisere og utnytte de dataene som kommer ut i andre enden.

– Vi vil gjerne hjelpe andre til å utnytte bildedataene sine optimalt. Ofte blir det bare brukt 10 prosent eller mindre av det bildematerialet som er tatt opp. Vi kan hjelpe til med å kvantifisere og lage statistikk på det som du måler, sier Anders Bjorholm Dahl.

Det gigantiske mikroskop ESS, som virker ved nøytronspredning, forventes å bli satt i gang ved siden av Max IV i Lund i 2023, og dermed blir det lagt enda en dimensjon til forskningen i bilder. Nøytronkilden har en annen kontrast enn røntgenstråling, og er blant annet følsom for hydrogen. Derfor er nøytroner nyttige til å se på for eksempel biologiske systemer som inneholder vann. Men også magnetiske systemer og elektriske kretser kan avbildes svært nøyaktig med nøytronstråling.

– Vi kommer til å kunne se helt nye aspekter av materialer, for eksempel vanntransport i biologiske systemer, og få en dypere forståelse av elektriske systemer, sier Anders Bjorholm Dahl.

Denne artikkelen ble først publisert som pluss-artikkel på ing.no. Ing.no tilhører Teknologiens Mediehus.

• Norsk forskning: Denne teknologien gjør at et batteri kan lade 1000 ganger raskere enn i dag