Dynamické mikro-CT snímkování umožňuje výzkum ve čtyřech rozměrech

TESCAN je známý především jako výrobce elektronových mikroskopů. V roce 2018 firma vstoupila akvizicí belgické společnosti XRE i na trh mikrotomografů.

Mikrotomografie je jednou z nejzajímavějších oblastí zobrazování materiálů. Můžete prosím vysvětlit, jak to funguje?

Mikro-CT využívá rentgenové paprsky k pořizování dvourozměrných snímků, které jsou podobné rentgenovým snímkům, jaké znají lidé od lékařů. Jsou zde ale dva zásadní rozdíly: za prvé se bavíme o mnohem větším rozlišení a za druhé jsme schopni vzorkem otáčet o 360 stupňů. Detailní snímky pořízené z různých úhlů se následně v počítači spojí do jedné digitální 3D vizualizace vzorku.

Důvodem, proč se tato technika stala pro výzkum materiálů tak zajímavou, je její nedestruktivní povaha. Jsme schopni vizualizovat a provádět analýzu vnitřní struktury vzorku ve třech rozměrech, aniž by bylo nutné jej upravovat nebo řezat. Tato technika také otevírá dveře k pozorování změn jak na povrchu, tak i uvnitř vzorku. Říkáme tomu 4D zobrazování, kdy čas je právě tím čtvrtým rozměrem.

O jakém časovém úseku při zkoumání změn vzorků se bavíme?

To je velmi různé podle typu aplikace. Můžeme pozorovat vzorky v řádech sekund, minut, hodin, nebo dokonce dnů a týdnů. Pokud je třeba, můžeme snímání přerušit, nebo naopak sledovat celý proces kontinuálně. Ve společnosti TESCAN jsme vyvinuli metody, které využívají širokých možností jak hardwaru, tak softwaru k provádění široké škály laboratorních experimentů.

V této souvislosti rozlišujeme „dynamické CT“, což označuje zejména nejpokročilejší podskupinu rentgenového zobrazování, kde se vzorek průběžně zobrazuje, a je tak možné sledovat jeho změny. Rozdíl mezi „dynamickým“ a „časosběrným“ bych připodobnil k rozdílu mezi plynulým filmem a stop motion animací. Výhoda dynamického CT spočívá ve schopnosti provádět nepřetržité experimenty „in situ“ (zkoumání statického preparátu, red. pozn.) v reálném čase.

Tato technologie kontinuálního snímání je pro nás velkou výzvou. Jedná se o technologicky složitý proces, ve kterém je podmínkou k úspěchu dokonalá souhra hardwarových, softwarových a aplikačních postupů. Náš vývoj je ve všech těchto oblastech velmi intenzivní a – což je neméně důležité – také vzájemně propojený.

Vaše řešení bylo optimalizováno pro dynamický výkon. Znamená to, že jste museli udělat kompromis v prostorovém rozlišení?

Vždy existují kompromisy týkající se priority rychlosti nebo kvality. To platí pro každý měřicí nebo zobrazovací systém. Mezi těmito faktory jsme vytvořili z našeho pohledu optimální rovnováhu s akcentem na schopnost provádět dynamické CT snímání. Na trhu existují systémy s vyšším prostorovým rozlišením, které jsou však určeny pro jiné výzkumné priority a nejsou schopny provádět vysokorychlostní dynamické CT snímání. Oba přístupy mají svá pro a proti a vzájemně se doplňují, podobně jako se SEM, FIB-SEM a TEM jsou komplementární v oblasti elektronové mikroskopie.

Existuje mnoho potenciálních aplikací v materiálových vědách pro dynamické CT, můžete nám dát nějaké příklady?

Seznam typů experimentů „in situ“ je opravdu nekonečný. Běžným uplatněním je mechanické sledování strukturálních materiálů (obvykle kovů, 3D tisků nebo kompozitů). Jde o zobrazování a analýzu toho, jak vznikají poruchy při zatížení spojů s prasklinami, dutinami a jinými defekty. V těchto případech obvykle zobrazujeme vzorek, jak je komprimován, ohýbán nebo napínán, a pokoušíme se korelovat deformační události s měřením síly a posunu. V okamžiku selhání nebo deformace pak můžeme provést další zkoumání skenováním objemu v mikro-CT nebo komplementární technikou, jako je SEM nebo plazmatický FIB-SEM, abychom prozkoumali jemnější mikrostrukturální detaily a jejich změny.

Mezi další aplikace patří studium deformace vysoce porézních a lehkých struktur, jako jsou kovové nebo polymerní pěny. Nedávno jsme studovali suspenze částic v kapalině a zkoumali jejich tok, abychom lépe porozuměli hydratačním, filtračním nebo absorpčním procesům v různých materiálech včetně spotřebního zboží. V kategorii delšího pozorování můžeme sledovat například korozi a cyklování při nabíjení baterií.

Jak vidíte, uplatnění je skutečně široké. Je to dáno mimo jiné i naší schopností plynule přizpůsobit náš přístup širokému rozptylu časového úseku, od deseti sekund do řádu týdnů nebo měsíců.

Geologické vědy jsou další disciplínou, ve které se mikro-CT uplatňuje. Můžete nám uvést několik příkladů aplikací, o které je největší zájem?

V oborech jako environmentální geologie, inženýrská geologie, výzkum přírodních zdrojů, ropné inženýrství nebo geodynamika narazíte na celou řadu aplikací, které využívají dynamické CT. Jde například o výzkum lomové dynamiky horniny pod tlakem, dvoufázové a třífázové proudění v porézní hornině, zhutňování v sedimentech a procesy mineralizace půdy. Z mého pohledu je nejzajímavější schopnost vizualizovat a analyzovat změnu nestabilního vícefázového toku. Bez přístupu k dynamickému CT jsou vědci omezeni na zobrazování tekutin v rovnovážném stavu. Jinými slovy, ve skutečnosti neuvidí, co se děje, když spolu různé kapaliny interagují, pouze zjistí následky této interakce.

Mikrotomografy jsou na trhu dostupné již řadu let, v čem se skrývá unikátnost řešení od TESCANu?

Těch řešení je mnoho. Často ani nejde o technologicky unikátní řešení, jedinečnost může spočívat i v tom, jak je propojený hardware a software, nebo v rychlosti snímání, o které jsme již mluvili. Pokud bych měl vypíchnout nejzásadnější věc, v níž jsme první na světě, tak by to byl mikrotomograf DynaTOM s designem založeným na otáčivém portálu. To je přístroj od základu navržený pro potřeby a specifika „in situ“ výzkumu. To jinými slovy znamená, že se preparát nehýbe, ale mikro-CT soustava rotuje kolem něho.

Arno Merkle

Arno Merkle má ve společnosti TESCAN ORSAY HOLDING na starosti rozvoj produktové řady mikro-CT. Do TESCANu nastoupil na začátku roku 2018 díky akvizici belgické technologické společnosti XRE. Předtím působil přes deset let na vedoucích pozicích v elektronovém a rentgenovém mikroskopickém průmyslu. Získal titul Ph.D. na Northwestern University (Evanston, Illinois, USA) v oboru materiálových věd a inženýrství.