Gli scienziati del Brookhaven National Laboratory del Dipartimento dell'Energia degli Stati Uniti (DOE) hanno sviluppato un nuovo approccio all'imaging a raggi X 3D in grado di visualizzare materiali voluminosi con grande dettaglio, un compito impossibile con i metodi di imaging convenzionali. La nuova tecnica potrebbe aiutare gli scienziati a sbloccare indizi sulle informazioni strutturali di innumerevoli materiali, dalle batterie ai sistemi biologici.

Gli scienziati hanno sviluppato il loro approccio presso la National Synchrotron Light Source II (NSLS-II) di Brookhaven, una struttura per gli utenti dell'Office of Science del DOE in cui gli scienziati utilizzano raggi X ultra luminosi per rivelare dettagli su scala nanometrica. Il team si trova presso la linea di luce Hard X-ray Nanoprobe (HXN) di NSLS-II, una stazione sperimentale che utilizza obiettivi avanzati per offrire una risoluzione leader a livello mondiale, fino a 10 nanometri, circa un decimillesimo del diametro di un capello umano.

HXN produce immagini ad altissima risoluzione che possono fornire agli scienziati una visione completa delle diverse proprietà dei materiali in 2-D e 3-D. La linea di luce ha anche una combinazione unica di capacità in situ e operando, metodi per studiare i materiali in condizioni operative reali. Però, gli scienziati che usano i microscopi a raggi X sono stati limitati dalle dimensioni e dallo spessore dei materiali che possono studiare.

"La comunità dell'imaging a raggi X sta ancora affrontando grandi sfide per sfruttare appieno il potenziale delle linee di luce come HXN, soprattutto per ottenere dettagli ad alta risoluzione da campioni spessi, " ha detto Yong Chu, capo scienziato della linea di luce presso HXN. "Ottenere qualità, le immagini ad alta risoluzione possono diventare difficili quando un materiale è spesso, ovvero più spesso della profondità di messa a fuoco dell'ottica a raggi X."

Ora, gli scienziati di HXN hanno sviluppato un approccio efficiente allo studio di campioni spessi senza sacrificare l'eccellente risoluzione fornita da HXN. Descrivono il loro approccio in un articolo pubblicato sulla rivista ottica .

"L'obiettivo finale della nostra ricerca è quello di rompere la barriera tecnica imposta sullo spessore del campione e sviluppare un nuovo modo di eseguire l'imaging 3D, che implica l'affettatura matematica del campione, " ha detto Xiaojing Huang, uno scienziato presso HXN e coautore del documento.

Il metodo convenzionale per ottenere un'immagine 3-D prevede la raccolta e la combinazione di una serie di immagini 2-D. Per ottenere queste immagini 2-D, gli scienziati tipicamente ruotano il campione di 180 gradi; però, campioni di grandi dimensioni non possono ruotare facilmente all'interno dello spazio limitato dei tipici microscopi a raggi X. Questa limitazione, oltre alla sfida dell'imaging di campioni spessi, rende quasi impossibile ricostruire un'immagine 3D ad alta risoluzione.

"Invece di raccogliere una serie di proiezioni 2-D ruotando il campione, semplicemente "tagliamo" il materiale spesso in una serie di strati sottili, " ha affermato l'autore principale Hande Öztürk. "Questo processo di affettatura viene eseguito matematicamente senza modificare fisicamente il campione".

La loro tecnica beneficia dell'ottica speciale di HXN, chiamate lenti Multilayer Laue (MLL), che sono progettati per focalizzare i raggi X in un punto minuscolo. Queste lenti creano condizioni favorevoli per studiare fette più sottili di materiali spessi, riducendo anche il tempo di misurazione.

"Gli esclusivi MLL di HXN hanno un'elevata efficienza di messa a fuoco, così possiamo dedicare molto meno tempo a raccogliere il segnale di cui abbiamo bisogno, " ha detto Hanfei Yan, uno scienziato presso HXN e coautore del documento.

Combinando l'ottica MLL e l'approccio multi-slice, gli scienziati dell'HXN sono stati in grado di visualizzare due strati di nanoparticelle separati da soli 10 micron, circa un decimo del diametro di un capello umano, e con una risoluzione 100 volte inferiore. Inoltre, il metodo riduce notevolmente il tempo necessario per ottenere una singola immagine.

"Questo sviluppo offre un'entusiasmante opportunità per eseguire l'imaging 3D su campioni che sono molto difficili da visualizzare con metodi convenzionali, ad esempio, una batteria con una complicata cella elettrochimica, " ha detto Chu. Ha aggiunto che questo approccio potrebbe essere molto utile per un'ampia varietà di future applicazioni di ricerca.