I ricercatori presso l'Istituto Paul Scherrer PSI hanno sviluppato la prima lente acromatica, ovvero in grado di ridurre l'aberrazione cromatica, al mondo per l’imaging neutronico. La lente supera un ostacolo esistente da lungo tempo, mette infatti a fuoco neutroni di diverse lunghezze d’onda in modo così preciso da generare un’immagine nitida e ingrandita. Grazie a questa lente, i ricercatori possono ora sottoporre a radiografia campioni spessi e osservare processi che si svolgono all’interno di apparecchiature ingombranti quali forni, criostati o celle di pressione.
I neutroni consentono di ottenere informazioni approfondite esclusive riguardo alla struttura dei materiali, ma sono difficili da "guidare". Vengono generati sotto forma di fascio in impianti di ricerca come la Sorgente svizzera di neutroni di spallazione SINQ e, come i raggi X, possono essere utilizzati per sottoporre ad esame radiografico materiali e oggetti. A differenza dei raggi X, tuttavia, i neutroni possono penetrare in profondità in molti metalli e restano, a tal riguardo, estremamente sensibili agli elementi leggeri come l’idrogeno e il litio, che è il più leggero dei metalli. Possono quindi essere utilizzati, ad esempio, per osservare la distribuzione di olio, polimeri o del litio all’interno di strutture metalliche dense come motori o batterie, per rendere visibile l’assorbimento d’acqua da parte delle piante o per analizzare preziosi reperti archeologici in modo non distruttivo.
Ma proprio questa debole interazione con la materia, che rende i neutroni così utili, ha anche come conseguenza il fatto che i neutroni sono notoriamente difficili da deviare o da concentrare. Questo ha ostacolato finora lo sviluppo di procedure di imaging avanzate. Ora, però, i ricercatori dell'Istituto Paul Scherrer PSI hanno presentato sulla rivista specializzata Nature Communications un nuovo tipo di lente che riesce a superare questo ostacolo.
Una lente per tutti i colori, cioè le lunghezze d'onda, dei neutroni
La sfida risiede innanzitutto nel fatto che i fasci di neutroni sono generalmente costituiti da neutroni con molte lunghezze d’onda diverse. Per generare un’immagine ad alta risoluzione, la lente deve fare convergere tutte queste lunghezze d’onda sullo stesso punto focale. I tentativi fin qui compiuti di sviluppare una lente per l’imaging neutronico pratico, lente con la quale fosse possibile focalizzare un ampio spettro di neutroni, sono falliti – almeno fino ad ora.
Finora nell’imaging neutronico, non vengono utilizzate lenti. I ricercatori devono pertanto posizionare i campioni molto vicino al rivelatore per ottenere immagini nitide. "La risoluzione ottenibile in tal modo è limitata, ma lo sono anche le dimensioni dell’oggetto o dell’ambiente circostante il campione che possono essere rappresentati", afferma Mano Raj Dhanalakshmi Veeraraj, primo autore dello studio e dottorando presso il Centro per la scienza dei fotoni dell'Istituto Paul Scherrer PSI,
La nuova lente, una cosiddetta lente acromatica per neutroni, è la prima al mondo nel suo genere. Questa lente fa convergere un ampio spettro di lunghezze d’onda dei neutroni in un unico punto. In questo modo si riesce a ottenere un’immagine nitida e ingrandita con una risoluzione inferiore a venti micrometri, anche nel caso di oggetti che non possono essere posizionati direttamente accanto al rivelatore.
"La mancanza di una lente di questo tipo ha ostacolato per decenni l’imaging neutronico", afferma Joan Vila-Comamala, scienziato presso il Centro per la scienza dei fotoni dell'Istituto Paul Scherrer PSI e responsabile del team. "Ora che infine disponiamo di una lente di questo genere, sarà possibile osservare i processi che avvengono all’interno di apparecchi quali forni, criostati o celle di pressione. Inoltre, questa lente apre la strada alla microscopia a neutroni, con la quale si può ingrandire un oggetto e di renderne visibili altri dettagli."
Una tipologia di imaging completamente nuova
Nello studio, i ricercatori hanno testato la lente, sottoponendo ad esame radiografico una batteria agli ioni di litio d'uso commerciale. A tal riguardo, i ricercatori sono riusciti a ingrandire di sette volte la struttura a strati degli elettrodi avvolti su se stessi, nonostante la batteria si trovasse a sei metri di distanza dal rivelatore.
In futuro, potrebbe pertanto essere possibile esaminare le sottili strutture interne di materiali e apparecchi mentre questi sono in funzione in ambienti prossimi a quelli dove operano effettivamente gli apparecchi. Ad esempio, si potrebbero documentare cambiamenti strutturali nei componenti di un motore in funzione.
"Ma siamo solo agli inizi", aggiunge Dhanalakshmi Veeraraj. "Vediamo già delle possibilità per migliorare questa lente. L'aspetto di importanza decisiva non è solo la risoluzione, ma un tipo di imaging completamente nuovo."
Gli impianti per l'imaging neutronico devono ora adeguarsi. Per valorizzare tutto il potenziale delle nuove lenti, alcuni impianti potrebbero necessitare di linee di fasci più lunghe. "Se la linea di fascio è sufficientemente lunga, in teoria l’immagine può essere ingrandita ancora di più. Non è la lente a rappresentare il limite, bensì la lunghezza dell’apparecchio", afferma Dhanalakshmi Veeraraj. I nuovi impianti come la Sorgente Europea di Spallazione ESS, attualmente in fase di costruzione in Svezia, tengono già conto di questi nuovi requisiti. Così facendo sono attrezzati per un’ulteriore crescita nel campo dell’imaging neutronico e delle sue applicazioni.
Sulla scia del successo della lente per raggi X
La tecnologia si basa su una precedente svolta nel campo dell’ottica per i raggi X: nel 2022 il team ha sviluppato una lente acromatica per raggi X destinata impianti di sincrotrone e laser a raggi X, come la Sorgente di luce di sincrotrone svizzera SLS e il SwissFEL. Nello sviluppo della lente per neutroni, le competenze specialistiche nel campo dell’ottica per i raggi X del Centro per la scienza dei fotoni dell'Istituto Paul Scherrer PSI sono state combinate con quelle nel campo dell’imaging neutronico del Centro di ricerca sui neutroni e i muoni dell'Istituto Paul Scherrer PSI.
La lente per neutroni è costituita da anelli concentrici in nichel e da strutture diamantate sagomate con precisione, che sono disposte secondo una geometria definita con esattezza. A differenza delle lenti tradizionali per la luce visibile, che si basano esclusivamente sulla rifrazione della luce, le lenti per neutroni sfruttano anche la diffrazione, fenomeno fisico che fa sì che le onde si propaghino o formino dei modelli di diffrazione quando attraversano delle griglie o delle piccole aperture. Gli anelli di nichel generano il modello di diffrazione, mentre le strutture diamantate si occupano della rifrazione del fascio di neutroni. Combinati assieme, questi effetti generano un’immagine ingrandita sul rivelatore.
Le strutture finissime in nichel sono state create mediante litografia a fascio elettronico nelle camere bianche PICO recentemente inaugurate presso l'Istituto Paul Scherrer PSI, mentre le strutture rifrattive diamantate sono state prodotte dall’azienda svizzera SYNOVA S.A "Gli anelli di nichel diventano sempre più piccoli, tanto che gli anelli più sottili misurano distintamente meno di 200 nanometri", spiega Vila-Comamala.
Una volta realizzati, i prototipi sono stati rapidamente testati con i raggi X presso la Sorgente di luce di sincrotrone svizzera SLS e con i neutroni presso la Sorgente svizzera di neutroni di spallazione SINQ.
"Una cosa del genere è possibile, semmai, solo in pochi altri luoghi al mondo", afferma Dhanalakshmi Veeraraj. "La stretta collaborazione tra esperti provenienti dai settori dell’imaging neutronico, dell’ottica per i raggi X e della produzione su nanoscala, i cui rispettivi laboratori sono raggiungibili camminando a piedi dall'uno all'altro all’interno del campus dell'Istituto Paul Scherrer PSI, rende possibili delle vere e proprie svolte tecnologiche come questa."
Testo: Simone Pengue