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Centro de Publicação Light, Instituto de Óptica, Mecânica Fina e Física de Changchun, CAS

imagem: (a) Medição SA-XPCS na configuração de queda pendente na Beamline 8-ID-I, Advanced Photon Source. A inserção à esquerda mostra a comparação dos resultados XPCS da gota pendente e das configurações de referência, e a inserção à direita mostra uma imagem óptica ampliada da gota pendurada na ponta da pipeta durante a medição. O laser vermelho é usado para alinhamento grosseiro do feixe de raios X na direção vertical. (b) 'Digital Twin' da configuração pendente robótica na simulação Nvidia Isaac, onde a pipeta eletrônica é acoplada à placa de montagem para medições de raios-X. As linhas e setas vermelhas indicam os feixes de raios X recebidos e dispersos. Os itens rotulados na figura são: 1. Braço robótico; 2. Pipeta eletrônica; 3. Placas de montagem; 4. Trocador de ferramentas robótico; 5. Espelho reflexivo com passagem de raios X de 1 mm de diâmetro; 6. Microscópio óptico e sistema de câmeras; 7. Estação de preparação de amostras com placas PCR e pontas de pipetas. (c) A configuração de gota pendente robótica no laboratório químico adjacente do Beamline 8-ID-I, onde a pipeta eletrônica é mostrada pegando uma ponta de pipeta nova para manuseio de líquidos. A inserção no canto superior direito mostra a suspensão suspensa capturada pelo sistema óptico em linha.Veja mais

Crédito: por Qingteng Zhang

Os materiais macios são onipresentes em nossas vidas diárias, desde os alimentos que comemos até os produtos que usamos e os materiais que constituem nosso corpo. Alguns exemplos de materiais macios incluem creme, pasta de dente e sangue. A maioria dos materiais macios são fluidos complexos, o que significa que contêm uma mistura macroscopicamente uniforme de duas ou mais fases. A competição dinâmica entre as estruturas das fases em um material macio pode ter um impacto significativo não apenas nas suas propriedades, mas também na sintonizabilidade e reversibilidade dessas propriedades. Por exemplo, algum líquido torna-se mais fluídico temporariamente após a aplicação de um cisalhamento (também conhecido como afinamento por cisalhamento). O ketchup foi projetado dessa forma para que flua mais facilmente quando é espremido para fora da garrafa e fique imóvel quando estiver em cima de um prato. Compreender a dinâmica espontânea das estruturas espaciais formadas por fases concorrentes sob diversas condições é, portanto, essencial para o projeto personalizado de materiais macios.

A caracterização da dinâmica espontânea em materiais macios é uma tarefa desafiadora. Considere um frasco de nanopartículas de sílica suspensas em água, que é um material macio relativamente simples. A dinâmica das nanopartículas (isto é, movimento browniano) ocorre na faixa nanométrica e na escala de tempo de microssegundos, o que torna impossível rastrear a localização exata de cada partícula no frasco a cada momento. Tal informação também pode ser desnecessária, uma vez que as propriedades macroscópicas do material macio são geralmente determinadas pelas estatísticas da dinâmica, ou seja, a rapidez com que o sistema evolui numa determinada escala de comprimento. Esta é a quantidade fundamental relatada pela espectroscopia de correlação de fótons (PCS, também conhecida como Dispersão Dinâmica de Luz). No PCS, um laser óptico é transmitido através da suspensão de nanopartículas e a variação da posição das nanopartículas é avaliada através da decorrelação temporal da intensidade da luz espalhada. No entanto, o PCS não é adequado para materiais opacos. Além disso, o PCS não pode medir a difusividade de sistemas onde as partículas não são livremente difusivas e a dinâmica não pode ser descrita pela equação de Einstein-Stokes (por exemplo, géis coloidais). Essas limitações são eventualmente abordadas pelo desenvolvimento da Espectroscopia de Correlação de Fótons de Raios X (XPCS).

XPCS é uma técnica poderosa para caracterizar a dinâmica espontânea de materiais macios. Ele usa um feixe de raios X espacialmente coerente (ou seja, “semelhante a um laser”) para sondar a dinâmica em todas as escalas de comprimento dentro da faixa de mícron-nanômetros. Isto é possível graças ao uso de um grande detector de área pixelada, que permite que a dinâmica seja registrada simultaneamente em todas as escalas de comprimento, uma vez que o ângulo de espalhamento é inversamente proporcional à escala de comprimento que representa. A maior desvantagem do XPCS é que ele está muito menos disponível que o PCS. Em primeiro lugar, existem atualmente menos de 10 síncrotrons em todo o mundo capazes de realizar experimentos XPCS. Em segundo lugar, o raio X coerente é obtido cortando espacialmente o feixe de raios X síncrotron para selecionar a porção coerente, o que resulta em uma redução de 10 a 100 vezes do fluxo de raios X. No entanto, estas questões estão a ser abordadas pela construção e comissionamento global de fontes de raios X de quarta geração. Essas fontes aumentarão o fluxo coerente de raios X em até 100 vezes, reduzindo assim o tempo de medição das caracterizações XPCS com fluxo limitado em até 10.000 vezes. Embora isso aumente significativamente a disponibilidade do XPCS, também criará um novo gargalo: a largura de banda humana. Os usuários das instalações não conseguirão fazer tantas amostras ou processar tantas informações. Este desafio, no entanto, é ideal para o campo em rápido crescimento da IA ​​e da robótica.