理研ら,X線タイコグラフィとCTで酸化反応を可視化

理化学研究所(理研)と北陸先端科学技術大学院大学らの研究グループは,硬X線タイコグラフィとコンピュータトモグラフィ(CT)を組み合わせ,材料試料の3次元空間分解X線吸収微細構造(XAFS)を取得する「3次元硬X線スペクトロタイコグラフィ(3D-HXSP)法」を開発し,データ科学と連携した解析により,酸素吸蔵・放出材料粒子内で起きる酸化反応の軌跡の可視化に成功した(ニュースリリース)。

X線の可干渉性(コヒーレンス)を利用したイメージング技術である「X線タイコグラフィ」は,非常に高い空間分解能と感度を実現できるX線顕微法で,放射光施設を中心に利用法の研究が進められている。

X線タイコグラフィは,レンズを用いて試料像を結像する従来のX線顕微法とは異なり,試料の回折強度パターンに「位相回復計算」を実行して試料像を再構成する。そのため,これまでレンズ性能によって制限されてきたX線顕微法の空間分解能を飛躍的に向上させることができる。

一方,「X線吸収微細構造(XAFS)法」は,X線吸収原子の局所的な電子状態(価数,対称性)と局所構造を得る手法であり,放射光で最もよく用いられる分析法の1つ。研究グループは,2018年に「タイコグラフィ-XAFS法」の開発を行ない,50nm以下の空間分解能で,不均一な試料中の微小領域の電子状態を調べた。しかし,得られる試料画像はX線の光軸方向に平均化された2次元データにとどまっていた。

研究グループは,今回,このタイコグラフィ-XAFS法を3次元計測法へ拡張するため,CT法を組み合わせた「3次元硬X線スペクトロタイコグラフィ(3-Dimensional Hard X-ray Spectro-Ptychography;3D-HXSP)法」を新たに開発した。

大型放射光施設「SPring-8」で測定を行なったところ,タイコグラフィの高空間分解能を維持したまま,セリウムを含む試料粒子の3次元空間分解XAFSスペクトルの取得と価数分布の3次元空間可視化に成功し,粒子表面から酸素吸蔵反応(セリウムの酸化反応)が進行している様子が可視化された。

さらに,この3次元価数情報を教師なし学習と呼ばれるデータマイニングと連携させることで,試料粒子内部での酸化反応を軌跡として可視化することにも成功したという。研究グループは,今回の研究成果は今後,さまざまな先端機能性材料のナノ構造・化学状態分析に応用できるとしている。

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