Nuevo récord mundial en investigación de materiales: microscopía de rayos X con 1000 tomogramas por segundo
"Este método abre una puerta al estudio no destructivo de los procesos rápidos en los materiales, que es lo que muchos grupos de investigación y también la industria estaban esperando"
La tomoscopia es un método de imagen en el que se calculan imágenes tridimensionales del interior de los materiales en rápida sucesión. Ahora, un equipo dirigido por el físico del HZB Francisco García Moreno ha logrado un nuevo récord mundial en la línea de luz TOMCAT de la Swiss Light Source del Instituto Paul Scherrer: con 1000 tomogramas por segundo, ahora es posible documentar de forma no destructiva procesos y desarrollos muy rápidos en materiales a escala micrométrica, como la combustión de una bengala o la espumación de una aleación metálica para la producción de materiales ligeros estables.
Estas espumas metálicas basadas en aleaciones de aluminio se están investigando como materiales ligeros, por ejemplo para la construcción de coches eléctricos. La morfología, el tamaño y la reticulación de las burbujas son importantes para conseguir las propiedades mecánicas deseadas, como la resistencia y la rigidez en componentes de gran tamaño.
© Adv. Mat./PSI/HZB
La mayoría de la gente está familiarizada con la tomografía computarizada desde la medicina: se radiografía una parte del cuerpo desde todos los lados y luego se calcula una imagen tridimensional, a partir de la cual se pueden crear imágenes seccionales para el diagnóstico.
Imágenes 3D rápidas con radiación de sincrotrón
Este método también es muy útil para el análisis de materiales, las pruebas de calidad no destructivas o el desarrollo de nuevos materiales funcionales. Sin embargo, para examinar dichos materiales con una alta resolución espacial y en el menor tiempo posible, se requiere la luz de rayos X especialmente intensa de una fuente de radiación sincrotrón. En el haz de sincrotrón, incluso los cambios y procesos rápidos en las muestras de materiales pueden visualizarse si es posible adquirir imágenes tridimensionales en una secuencia de tiempo muy corta.
De 200 a 1000 tomogramas por segundo
Un equipo de la HZB, dirigido por el Dr. Francisco García Moreno, está trabajando en ello junto con sus colegas de la Swiss Light Source SLS del Instituto Paul Scherrer (PSI), en Suiza. Hace dos años, consiguieron el récord de 200 tomogramas por segundo, lo que se conoce como método de tomoscopia de imagen rápida. Ahora el equipo ha logrado un nuevo récord mundial: con 1000 tomogramas por segundo, ahora pueden registrar procesos aún más rápidos en materiales o durante el proceso de fabricación. Esto se consigue sin grandes compromisos en los demás parámetros: la resolución espacial sigue siendo muy buena, de varios micrómetros, el campo de visión es de varios milímetros cuadrados y son posibles períodos de grabación continua de hasta varios minutos.
Mesa giratoria y cámara de alta velocidad
Para las imágenes de rayos X, la muestra se coloca en una mesa giratoria de alta velocidad desarrollada por la propia empresa, cuya velocidad angular puede sincronizarse perfectamente con la velocidad de adquisición de la cámara. "Hemos utilizado componentes especialmente ligeros para esta mesa giratoria, de modo que pueda alcanzar una velocidad de rotación de 500 Hertz de forma estable", explica García Moreno.
En la línea de luz TOMCAT del SLS, especializada en la obtención de imágenes de rayos X con resolución temporal, el físico del PSI Christian Schlepütz utilizó una nueva cámara de alta velocidad y una óptica especial. "Esto aumenta la sensibilidad de forma muy significativa, de modo que podemos tomar 40 proyecciones 2D en un milisegundo, a partir de las cuales creamos un tomograma", explica Schlepütz. Con la actualización prevista del SLS2.0, a partir de 2025 se podrán realizar mediciones aún más rápidas y con mayor resolución espacial.
Procesamiento del flujo de datos
La adquisición de 1.000 conjuntos de datos tridimensionales por segundo -y esto durante un período de minutos- genera un enorme flujo de datos, que se almacenó inicialmente en el PSI. Finalmente, el Dr. Paul Kamm, del HZB, se encargó del procesamiento posterior y de la evaluación cuantitativa de los datos. La reconstrucción de los datos brutos en imágenes 3D se llevó a cabo a distancia desde el HZB en los ordenadores de alto rendimiento del PSI, y los resultados se transfirieron al HZB para su posterior análisis.
Bengalas, dendritas y burbujas
El equipo demostró la potencia de la tomoscopia con varios ejemplos de la investigación de materiales: Las imágenes muestran los rapidísimos cambios durante la combustión de una bengala, la formación de dendritas durante la solidificación de aleaciones de fundición o el crecimiento y la coalescencia de burbujas en una espuma metálica líquida. Estas espumas metálicas basadas en aleaciones de aluminio se están investigando como materiales ligeros, por ejemplo para la construcción de coches eléctricos. La morfología, el tamaño y la reticulación de las burbujas son importantes para conseguir las propiedades mecánicas deseadas, como la resistencia y la rigidez, en componentes de gran tamaño.
"Este método abre una puerta al estudio no destructivo de los procesos rápidos en los materiales, que es lo que muchos grupos de investigación y también la industria estaban esperando", afirma García Moreno.
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