X-quang kết hợp cải thiện phân tích cấu trúc

Cho đến nay, có rất nhiều phương pháp chụp ảnh bức xạ sử dụng tia X (X-quang) đang được sử dụng không mang lại hiệu quả khi thay đổi một số điều kiện nhất định. Điều đó đòi hỏi các nhà khoa học không ngừng tiến hành phân tích và thử nghiệm để cải thiện hoặc loại bỏ những nhược điểm đó. Nhóm các nhà khoa học từ Đại học Regensburg, Đại học Durham và Helmholtz-Zentrum Dresden-Rossendorf (HZDR) hiện đã thực hiện thành công việc X-quang kết hợp để cải thiện hình ảnh cấu trúc sau chụp ảnh bức xạ.

Các nhà khoa học đã phát minh lại một phương pháp mới sử dụng nguyên lý nhiễu xạ tia X để xác định cấu trúc tinh thể, bằng cách kết hợp với quang phổ tia X, loại bỏ một trong những nhược điểm mà hơn một thế kỷ qua tồn tại trong kỹ thuật X-quang. Tia X không chỉ hữu ích trong việc chụp ảnh chẩn đoán ở người mà còn có giá trị trong kiểm tra vật liệu, được sử dụng để tìm hiểu chi tiết cấu trúc của các tinh thể. Phương pháp này, được gọi là nhiễu xạ tia X, đã được sử dụng từ lâu, nhưng một nhóm các nhà nghiên cứu đã gặp phải vấn đề cơ bản về phương pháp luận.

Nhóm của Tiến sĩ Michael Bodensteiner tại Đại học Regensburg đã kiểm tra một hợp chất đồng bằng tia X ở “màu tia X” khá bất thường, cái gọi là bức xạ K𝝱. Ông giải thích: “Chúng tôi đã sử dụng một tinh thể gần như hoàn hảo và thực sự mong đợi có thể xác định cấu trúc của nó một cách chính xác. Nhưng sau đó chúng tôi phát hiện ra rằng tại một thời điểm, thứ gì đó vô nghĩa về mặt vật lý đã xuất hiện. Nói một cách đơn giản, các nguyên tử đồng không nằm trong mạng tinh thể như đáng lẽ chúng phải thế”. Nhóm nghiên cứu đã xem xét kỹ hơn phương pháp thử nghiệm và đã phát hiện ra rằng những chỉnh sửa cụ thể liên quan đến quy trình đang làm sai lệch kết quả hơn là cải thiện chúng. Tiến sĩ Bodensteiner giải thích: “Trong quá khứ, các quy trình toán học này thường khá đầy đủ. Bây giờ, các công cụ của chúng tôi cung cấp dữ liệu có độ chính xác đến mức những hiệu chỉnh này đạt đến giới hạn và do đó phải được cải thiện thêm.”

Christoph Hennig thực hiện thí nghiệm tại Rossendorf-Beamline (ROBL) ở Grenoble (Nguồn: Pierre Jayet)

Để khắc phục hạn chế này, các nhà khoa học Regensburg đã hợp tác với nhà nghiên cứu HZDR và Tiến sĩ Christoph Hennig, làm việc tại Trung tâm máy gia tốc Synchrotron Châu Âu (ESRF) ở Grenoble, Pháp. So với các ống tia X thông thường của phòng thí nghiệm trường đại học, cơ sở dựa trên máy gia tốc cung cấp chùm tia X cường độ cao. Ở Grenoble, HZDR vận hành cơ sở thử nghiệm, Rossendorf Beamline (ROBL). Tiến sĩ Hennig nói: “Cơ sở này cung cấp các điều kiện rất tốt cho các phép tia X. Trong số đó, có máy đo nhiễu xạ đủ mạnh để có thể chụp ảnh nhiễu xạ có độ phân giải cao, nghĩa là có thể đo chính xác bức xạ tia X bị ảnh hưởng như thế nào khi đi qua cấu trúc tinh thể”.

Trong quy trình này, mẫu được chiếu sáng bằng “màu tia X” xen kẽ. Cách tiếp cận này cho phép rút ra kết luận về tính chất hóa học của các nguyên tố cấu thành tinh thể. Ý tưởng của nhóm là kết hợp cả hai phương pháp, nhiễu xạ tia X và quang phổ, cách tiếp cận hiếm khi được thử trước đây. Một trong những thách thức với phương pháp này là phối hợp các thành phần khác nhau của thiết bị, chẳng hạn như máy dò thu cường độ tán xạ. Các nhà nghiên cứu sau đó nhắm mục tiêu chủ yếu vào các điểm đo mà phương pháp thông thường mang lại kết quả không đáng tin cậy.

Mặc dù các nhà nghiên cứu vẫn cần tinh chỉnh phương pháp của họ, nhưng phương pháp này rất có tiềm năng trong tương lai. Phương pháp này có thể phân tích cấu trúc của một số tinh thể chính xác hơn trước đây. Ngoài thông tin cấu trúc thuần túy, phương pháp mang lai khả năng tìm hiểu thêm thông tin đặc biệt trong cùng một phép đo, ví dụ như về trạng thái oxy hóa của một nguyên tố. Điều đó rất hữu ích trong các nghiên cứu phản ứng xúc tác hóa học. Phương pháp kết hợp giữa tia X và quang phổ cũng sẽ hữu ích cho các dự án nghiên cứu hành vi của các chất phóng xạ như chất có trong chất thải hạt nhân, xác định cấu trúc của một số hợp chất phân tử phóng xạ chính xác hơn. Điều này sẽ cho phép đánh giá tốt hơn liệu một chất cụ thể sẽ tồn tại vĩnh viễn trong kho lưu trữ hay cuối cùng có thể được thải ra môi trường hay không.