LINX Læring

Begreber

Hvad er et materiale?
Materialer i materialevidenskab er oftest faste stoffer. Vi kan finde stofferne overalt omkring os f.eks. i smartphones, biler og gryder. Stofferne består af atomer i et tredimensionelt gitter som i figur 1 nedenfor. Faste stoffer i et ordnet gitter kaldes krystallinske materialer eller krystaller. Gitterstrukturen i materialerne giver dem et væld af egenskaber, de kan fx være magnetiske, elektrisk ledende eller isolerende.

Figur 1: 3D gitter.
Kredit: Prolineserver, CC BY-SA 3.0, via Wikimedia Commons.

Hvad er krystallografi?
Krystallografi er læren om krystallers opbygning og udforsker gennem eksperimenter strukturen af et materiale. Ved at skyde røntgenstråler ind på en krystal kan forskerne lære noget om krystallens opbygning. Krystallografi kan sige noget om, hvor i krystallens gitter atomer sidder. Ud over atomernes placering i krystallen kan krystallografi fx lære forskerne noget om atomernes tilstand.

Hvad er røntgenstråler?
Røntgenstråler er en slags lys, du ikke kan se. Lys er defineret ved sin energi. Røntgenstråler har mere energi end det lys, vi kender fra hverdagen. Målinger og eksperimenter i krystallografi benytter ændringer i røntgenstrålers meget specifikke energi, retning eller vinkel som et værktøj.

Hvad er billeddannelse?
Røntgenstråler er en af de mest anvendte teknikker til billeddannelse. Røntgenstråler kan bruges på genstande, hvor der er områder, som strålerne trænger igennem, og andre, hvor de blokeres. Røntgenstråler kan blokeres fx af visse metaller eller andre massive stoffer. Derfor er røntgenstråler blevet populære i medicin. Strålerne blokeres ikke af hud, muskler eller fedt, men af knogler. Ved at udnytte det faktum om røntgenstråler har forskerne udviklet billeddannelsesteknikker.

Øvet

Imaging – billeddannelse

Figur 2: Et røntgenbillede af en brystkasse.
Kredit: Mikael Häggström, CC0, via Wikimedia Commons.

Figur 3: Et røntgenbillede af en rygsæk.
Kredit: The original uploader was IDuke at English Wikipedia., CC BY 2.5, via Wikimedia Commons.

Et utal af røntgenbilleder bliver taget hver dag verden over, og billeddannelsesteknikker er formentlig de mest almindelige røntgenteknikker. Billederne kortlægger og viser knogler, kræftknuder, organer m.m. som set i figur 2. Røntgen-billeddannelse kan også se ind i ikke-biologiske prøver, som vi kender det fra lufthavne. I figur 3 ser man med røntgen elementerne af en rygsæk med bl.a. batterier, flasker og kamera.

Ved simpel røntgen-billeddannelse fås kun et fladt billede. Radiologer og forskere kan skabe et 3D-billede af deres emne ved at rotere det, mens de tager røntgenbilleder. For at gøre det endnu smartere, kan de tage billeder, mens de roterer og scanner emnet i fuld længde et stykke ad gangen. Denne teknik er kendt som CT-scan – altså, tværsnitsbilleder lavet med røntgen. CT-scanning har hjulpet sundhedssektoren med at kigge ind i patienter i 3D. Teknikken kan meget nøjagtigt finde placeringen, størrelsen og udseendet af fx en kræftknude.

I figur 4 nedenfor ses hvordan en CT-scanning kan give højopløste billeder af hjernen fra toppen af et kranie og ned til bunden nær kæbebenet. Billedet tages på en nye sektion af hjernen for hver gang og de godt 30 billeder kan tilsammen opbygge et 3D billede af hjernen, hvor eventuelle kræftknuder eller hjernepropper nøjagtigt kan placeres og udredes.

Figur 4: CT-scanning af en hjerne, nederste højre hjørne starter scan fra toppen af kraniet. Øverste venstre afslutter scan i bunden af kraniet nær kæbebenet.

Figur 5: Bore prøver fra undergrunden til undersøgelse af fejl og knæk i mineraler i oliefelter.
Kredit: Joshua Doubek, CC BY-SA 3.0, via Wikimedia Commons.

Styrken i CT kan også bruges i geologi, når geologer for eksempel vil bore efter olie. Geologer bruger CT til at bestemme, hvor og hvordan de vil bore, og gør det muligt at ramme målet med høj nøjagtighed.

I figur 5 ses boreprøver fra oliefelter. Disse bruges til at bestemme fejl og knæk i mineraler. Prøverne scannes med CT og geologerne kan herefter lægge en slagplan for den mest effektive boring.

Røntgendiffraktion

Figur 6: Skitse af diffraktion.
Kredit: U. Vainio, Public domain, via Wikimedia Commons.

Figur 7: Example of diffraction from a single crystal.
Kredit: Del45, Public domain, via Wikimedia Commons.

Røntgendiffraktion bruges til at finde opbygning og atomare bestanddele af et krystallinsk materiale. Hvad vil det sige? Elementer som f.eks. metaller kan godt lide at sætte sig i et ordnet gitter. Et gitter i en krystal kan reflektere røntgenstråler, når bestemte betingelser er opfyldt.

I figur 6 ses en skitse af diffraktion fra én enkelt stor krystal. I figur 7 ses, hvordan et resultat af et diffraktionseksperiment fra en enkeltkrystal kan se ud. Diffraktion i forskellige lag af det ordnede gitter interferer med hinanden og giver systematiske pletter, som set i figur 7.

Figur 8: Chokolate.

Moderne chokolade forbedres ved hjælp af røntgendiffraktion. Kakaoen i chokolade er faktisk krystalliseret, altså har sat sig i et gitter på en ordnet måde. Chokoladeproducenter udnytter dette faktum om kakao til at skrue på deres opskrifter. Producenter tilføjer eller fjerner kakao og sukker for at få den bedste krystal i chokoladen – hvilket er med til at give det kendetegnende knæk i chokoladen og kan være med til at bestemme, om chokoladen skinner eller er mat.

Figur 9: Computerchips.

Computerchip indgår i al moderne elektronik, f.eks. er hjernen i en smartphone en computerchip. Computerchips består af et krystallinsk materiale, nemlig halvlederen, der kan åbne og lukke for elektricitet. Forskerne og chip-producenter anvender røntgendiffraktion til at tune halvlederteknologi. Jo bedre krystallen er, jo kraftigere computere og smartphones får vi.

Småvinkelspredning (Small angle Scattering) af neutroner og røntgenstråler
For at analysere almindelige krystaller med gitterstrukturer, bruger forskere røntgendiffraktion. Men systemer, der ikke har en gitterstruktur, kan forskere ikke bruge diffraktion på. I stedet kan forskere løse problemet ved at anvende småvinkelspredning.

Småvinkelspredning kan både bruge neutroner, som er partikler fundet i atomer, og lys i form af røntgenstråler. Her skydes partiklerne eller lyset ind mod et emne i en lille vinkel på mellem 0 og 5 grader. Nogle emner spreder lyset eller partiklerne, mens andre emner er usynlige for skuddet. Tager man udgangspunkt i emnet i figur 10, kan forskere bruge småvinkelspredning til at få en idé om størrelsen af emnet, dets form, hvordan den yderste overflade ser ud i forhold til den inderste overflade i kanalen, og forholdet mellem det generelle rumfang og størrelsen på overfladerne.

Når forskerne bruger partikler som neutroner til at lave småvinkelspredning på et emne, har de som regel brug for at vide noget om emnets atomer. Neutroner har den fordel, at de er allermest følsomme overfor atomernes kerner eller deres magnetisme.

Figur 10: Biologiske prøver der kan undersøges ved hjælp af småvinkelspredning.
Kredit: LadyofHats, Public domain, via Wikimedia Commons.