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