Multiscale and Multimodal X-ray Imaging of Heterogeneous Materials
Doktorsavhandling, 2025

The increasing complexity and heterogeneity of advanced materials present a need for imaging methodologies and workflows that can provide comprehensive characterisation of material properties. The development of third- and fourth-generation synchrotron sources has opened new possibilities for both multiscale and multimodal imaging approaches which can greatly enhance resolution, sensitivity and measurement time. This thesis focuses on leveraging state-of-the art X-ray imaging techniques to develop and apply methodologies that optimise resolution and contrast in low attenuating samples and allows for dynamic imaging at conditions close to those for a materials intended application. The developed methodologies are showcased in studies of phase behaviour of pharmaceutical formulations, the charge and discharge processes in anode materials for next generation batteries and for providing insight into the chemical composition distribution in lignocellulose fibres.
 
The key results of the thesis can be divided into a methodological aspect and the direct scientific questions answered within the different projects. Using the highly sensitive phase retrieval technique ptychographic X-ray computed tomography (PXCT) combined with scanning small- and wide angle X-ray scattering (S/WAXS) and soft X-ray spectro-microscopy, I provide multiscale and multimodal characterisation approaches that utilises both structural and chemical contrast to provide better understanding of how the morphology and drug distribution within pharmaceutical formulations relate to drug release behaviour. With S/WAXS contrast I perform dynamic imaging of sodiation of hard carbon electrodes, providing insight into the sodiation mechanism under different conditions. I also introduce time-resolved S/WAXS tomography, relying on sparse data acquisition and reconstruction protocols, for monitoring dissolution of pharmaceutical formulations, providing mechanistic insight into the dissolution mechanism of amorphous solid dispersions. In this way, the thesis presents a toolbox of advanced characterisation techniques for heterogeneous materials, with demonstrated applications ranging from pharmaceutical formulations to next-generation battery materials. These methodologies have potential for further studies of dynamic processes and hierarchical structures in a wide range of heterogeneous materials, enabling deeper insight into structure–property relationships under realistic conditions.

X-ray spectroscopy

solid dispersions

hard carbon

cellulose fibres

X-ray imaging

multimodal imaging

X-ray scattering

multiscale imaging

PJ-salen, Fysikgården 1, Göteborg
Opponent: Pierre Thibault, University of Trieste, Italy

Författare

Martina Olsson

Chalmers, Fysik, Materialfysik

Multiscale X-ray imaging and characterisation of pharmaceutical dosage forms

International Journal of Pharmaceutics,;Vol. 642(2023)

Artikel i vetenskaplig tidskrift

Phase-separated polymer blends for controlled drug delivery by tuning morphology

Communications Materials,;Vol. 5(2024)

Artikel i vetenskaplig tidskrift

Resolving the sodiation process in hard carbon anodes with nanostructure specific X-ray imaging M. Olsson, A. Klein, N. Mozhzhukhina, S. Xiong, C. Appel, M. Carlsen, L. Nielsen, L. Rensmo, M. Liebi, A. Matic

Investigating electrolyte composition and charge rate effects on the sodiation mechanism in hard carbon I. Drevander, N. Mozhzhukhina, J. Maibach, A. Matic, M. Olsson

Revealing the dissolution mechanisms of dual-polymer solid dosage forms using combined S/WAXS and microtomography M. Olsson, E. Dufvenius Esping, L. Rensmo, A. Di, A. Klein, R. Storm, V. Haghighat, K. Nygård, A. Larsson, M. Liebi, A. Matic

Phase separation during dissolution of amorphous solid dispersions revealed by time-resolved S/WAXS tomography M. Olsson, L. Rensmo, E. Dufvenius Esping, A. Acharya, I. Drevander, S. Haraguchi, K. Nygård, A. Matic, M. Liebi

Sample preparation and measurement strategies for characterization of lignocellulose fibres using carbon K-edge spectro-microscopy L. Björn*, M. Olsson*, G. Westman, A. Ziolkowska, J. Avaro, B. Watts, A. Matic M. Liebi

Röntgentekniker avslöjar hur materialen fungerar
 
Material blir allt mer komplexa för att möta de krav som ställs av tillämpningar inom exempelvis energilagring, medicin och biomaterialutveckling. Oavsett om det handlar om att skapa mer effektiva läkemedel eller bättre batterier, behöver vi metoder som kan ge oss djupare förståelse för hur materialen är uppbyggda och hur de fungerar.
 
Många moderna material är heterogena – de består av flera olika ämnen fördelade i olika faser. Dessa faser har olika funktioner, och deras fördelning och struktur kan vara avgörande för materialets egenskaper. Till exempel är en tablett uppbyggd av både en aktiv läkemedelsubstans och ett omgivande material som kan styra hur snabbt och var i kroppen substansen frisätts. För att förstå frisättningen behövs tekniker som både kan visa hur substansen är fördelad i tabletten och hur strukturen ändras när tabletten löses upp.
 
Ett annat exempel är anodmaterial för natrium-jonbatterier, som har potential att bli ett mer hållbart alternativ till dagens litium-jonbatterier. Dessa material har strukturer på flera längdskalor, från atomär- till nano- och mikroskala, som påverkar hur effektivt batteriet kan lagra energi.  För att studera sådana material krävs metoder som kan följa förändringar i strukturen under tiden batteriet används, och över flera längdskalor.
 
Fokus i den här avhandlingen har varit att flytta gränserna för hur vi kan använda röntgentekniker för att avbilda material. Genom att tillämpa metoderna på läkemedelsformuleringar och batterimaterial bidrar den här avhandlingen till utvecklingen av framtidens mediciner och energilagringssystem. Dessutom presenteras nya mätstrategier som kan användas för att studera heterogena material inom olika områden av materialforskningen.

Styrkeområden

Nanovetenskap och nanoteknik

Ämneskategorier (SSIF 2025)

Fysik

Infrastruktur

Chalmers materialanalyslaboratorium

ISBN

978-91-8103-231-4

Doktorsavhandlingar vid Chalmers tekniska högskola. Ny serie: 5689

Utgivare

Chalmers

PJ-salen, Fysikgården 1, Göteborg

Online

Opponent: Pierre Thibault, University of Trieste, Italy

Mer information

Senast uppdaterat

2025-06-05