Argonne sviluppa un nuovo metodo per vedere più chiaramente la fisica dei materiali complessi in ambienti di difficile accesso.

Con gli strumenti giusti, gli scienziati possono avere una visione a raggi X simile a Superman che rivela caratteristiche nascoste sepolte all'interno degli oggetti, ma è molto complicato.

La sorgente di fotoni avanzata (APS), una struttura per gli utenti dell'Office of Science presso l'Argonne National Laboratory del Dipartimento dell'Energia degli Stati Uniti (DOE), offre agli scienziati l'accesso a raggi X altamente penetranti che possono illuminare, a livello atomico, i materiali contenuti in profondità all'interno di altre strutture.

La prossima fase per l'APS, l'aggiornamento APS, trasforma l'APS di oggi in un leader mondiale, basato su anello di memoria, sorgente di luce a raggi X ad alta energia che fornisce agli scienziati uno strumento molto più potente per studiare e migliorare i materiali e i processi chimici che hanno un impatto su quasi ogni aspetto della nostra vita. In particolare, l'aggiornamento consente l'uso di metodi di imaging senza lenti con raggi X ad alta energia per superare i limiti dell'ottica per ottenere la massima risoluzione spaziale in profondità all'interno di campioni opachi.

"È simile a cercare di determinare la forma e le dimensioni di un sasso lanciato in uno stagno osservando le increspature che il sasso crea, tranne che in tre dimensioni. Se la dimensione dei tuoi pixel è abbastanza piccola ... puoi [in realtà] ... ottenere un'immagine tridimensionale dell'oggetto che causa la dispersione, " osservò Siddharth Maddali, un ricercatore post-dottorato Argonne.

Però, l'utilizzo di raggi X ad alta energia per la penetrazione profonda comporta un potenziale intoppo:i raggi X che penetrano in profondità possono incontrare dei limiti con l'attuale tecnologia di rilevamento.

"Essenzialmente, il segnale sul rivelatore diventa sempre più compresso man mano che si passa a energie dei raggi X sempre più elevate, " ha detto Maddali. "Il prezzo che paghiamo per raggi X più penetranti è una perdita di fedeltà nei dati registrati".

In un nuovo studio, i ricercatori di Argonne hanno trovato un nuovo modo per superare queste limitazioni.

Queste limitazioni, secondo il fisico a raggi X di Argonne Stefan Vogt, è come usare il monitor di un computer a bassa risoluzione per visualizzare una fotografia digitale ad alta risoluzione. "Non puoi vedere la fedeltà dell'immagine originale, " Egli ha detto.

L'effetto complessivo fa sembrare l'immagine pixelata, disse Maddalì, un autore dello studio.

Poiché la distanza dal bersaglio al rivelatore è relativamente fissa, migliorare la risoluzione di un'immagine pixelata di dispersione dei raggi X, in sostanza, affinarlo:richiede algoritmi di calcolo che creano "pixel virtuali" suddivisi in grado di ridistribuire l'immagine pixelata. Quindi i ricercatori possono utilizzare un processo chiamato recupero di fase per ricostituire le informazioni dello spazio reale sul campione in base ai fronti d'onda dei raggi X sparsi.

"È simile a cercare di determinare la forma e le dimensioni di un sasso lanciato in uno stagno osservando le increspature che il sasso crea, tranne che in tre dimensioni, " ha detto Maddali. "Se la dimensione dei tuoi pixel è abbastanza piccola da poter vedere gli alti e bassi nell'onda, puoi elaborare computazionalmente quelle immagini e ottenere un'immagine tridimensionale dell'oggetto che causa la dispersione."

Utilizzando l'elaborazione del segnale in questo modo, gli scienziati sono in grado di correggere efficacemente dal punto di vista computazionale un'immagine che altrimenti avrebbe richiesto un sistema di lenti sperimentalmente impossibile da risolvere.

Gli scienziati potrebbero utilizzare questa tecnica per ottenere migliori informazioni sulle interfacce dei materiali, e quindi comprendere meglio e in definitiva controllare il comportamento dei nuovi materiali.