Canale di carbonio sperimentale EDS tilt series. Tutte le 20 proiezioni EDS del carbonio elaborate utilizzate come input per la ricostruzione GENFIRE. Ogni immagine era mascherata, normalizzato alla proiezione di riferimento, sfondo sottratto, e allineato dal centro di massa e dall'allineamento della linea comune. La sottrazione dello sfondo è stata ripetuta con l'allineamento per ridurre al minimo le differenze di linea comuni. La direzione orizzontale è l'asse di rotazione. Credito:progressi scientifici, doi:10.1126/sciadv.aax3009
La microscopia multimodale può combinare tecniche di imaging su nanoscala complementari per estrarre informazioni complete sulla sostanza chimica, aspetti strutturali e funzionali di campioni eterogenei. La microscopia a raggi X può ottenere immagini ad alta risoluzione di materiali sfusi con sostanze chimiche, magnetico, contrasto di orientamento elettronico e legame. In parallelo, la microscopia elettronica può fornire una risoluzione spaziale su scala atomica quantificando la composizione elementare.
In un nuovo rapporto, Yuan Huang Lo e colleghi dei dipartimenti interdisciplinari di fisica, bioingegneria e Advanced Light Source negli Stati Uniti hanno combinato latticiografia a raggi X e la spettromicroscopia a raggi X a trasmissione a scansione (STXM). Hanno quindi combinato la configurazione con la spettroscopia a dispersione di energia tridimensionale (3D) e la tomografia elettronica per mappare la composizione strutturale e chimica di una particella di meteorite Allende con una risoluzione spaziale di 15 nm. Gli scienziati hanno utilizzato informazioni strutturali e quantitative elementari per comprendere la composizione minerale e discutere i potenziali processi prima e dopo l'accrescimento (formazione di corpi astronomici più grandi influenzati dalla gravitazione).
La microscopia a raggi X ed elettronica può visualizzare la struttura e la funzione all'interno di sistemi organici e inorganici su scale spaziali fino alla scala atomica. I progressi nella tticografia a raggi X:un potente metodo di imaging diffrattivo coerente (CDI) ha esteso l'imaging a raggi X molli verso una risoluzione spaziale di 5 nm. Il CDI ptografico a raggi X può visualizzare circuiti integrati estesi e strutture biologiche in due dimensioni (2-D) e 3-D. La spettroscopia a raggi X a trasmissione di scansione combinata con la spettroscopia di assorbimento a raggi X (XAS) può mappare campioni sfusi con una risoluzione di 20 nm, estrarre simultaneamente mappe chimiche specifiche del carbonio, azoto, ossigeno e metalli di transizione (ferro, manganese e nichel). Nuovi entusiasmanti sviluppi nel campo, come la conservazione criogenica di campioni biologici e l'introduzione di microscopi elettronici con correzione dell'aberrazione hanno inaugurato una nuova era della microscopia crioelettronica e della microscopia elettronica atomica. Questi nuovi metodi hanno consentito un'imaging senza precedenti dei materiali e delle relazioni associate tra struttura e funzione a un livello fondamentale.
A SINISTRA:Schema di imaging spettrale multimodale a raggi X ed elettroni nanoscopico. I grani di meteorite Allende depositati su una griglia TEM sono stati trasferiti tra un microscopio elettronico Titan 60-300 e la linea di luce a raggi X molli COSMIC per tomografica, tticografico, e l'imaging spettromicroscopico. Il supporto per campioni compatibile con TEM di COSMIC ha consentito di riprendere lo stesso granello di meteorite utilizzando entrambe le modalità di imaging per estrarre set di dati multidimensionali, fornendo prodotti chimici, strutturale, e approfondimenti funzionali ad alta risoluzione spaziale. A DESTRA:ricostruzioni tomografia HAADF e EDS GENFIRE. Strati rappresentativi di 14 nm di spessore nei volumi 3D HAADF (A) e EDS (B) ricostruiti del grano di meteorite Allende. La freccia rossa indica le tasche sciolte, e la freccia verde indica le vene d'urto che erano incastonate, che suggeriscono che il campione aveva ad un certo punto sperimentato un riscaldamento indotto dall'impatto, crepando, e fusione. Le tracce di alluminio e cromo nelle vene visibili nelle ricostruzioni EDS rivelano che le vene erano piene di ricristallizzazione metallica. a.u., unità arbitrarie. Credito:progressi scientifici, doi:10.1126/sciadv.aax3009
Tuttavia, nessuna delle tecniche di imaging può fornire una mappa completa per estrarre contemporaneamente più informazioni da un campione. Ad esempio, mentre la microscopia elettronica può offrire una risoluzione atomica senza pari, il metodo si applica solo a campioni molto sottili. In confronto, i ricercatori hanno implementato con successo l'imaging multimodale nelle comunità di microscopia ottica e imaging medico. La combinazione dei metodi può essere efficace per prevenire danni da radiazioni del campione tramite raggi X, poiché gli elettroni sono più efficienti in termini di dose dei raggi X negli esperimenti di diffusione elastica. L'imaging correlativo combinato può generare mappe sperimentali sfaccettate per guidare la modellazione computazionale per promuovere la rapida scoperta e implementazione di nuovi materiali per affrontare questioni scientifiche impegnative. Le sfide hanno motivato gli scienziati a incorporare l'imaging multimodale, con avanzate microscopie a raggi X ed elettroniche per studiare i campioni e sfruttare i recenti sviluppi nell'imaging dei campioni.
Nel presente lavoro, Lo et al. ha usato la pticografia a raggi X e STXM in 2-D per studiare un granello di meteorite Allende. Hanno combinato la configurazione con la spettroscopia a dispersione di energia (EDS) e l'imaging in campo scuro anulare ad alto angolo (HAADF) in 3-D. Il meteorite di Allende è stato osservato in Messico l'8 febbraio 1969, come condrite carboniosa CV3. I ricercatori hanno studiato bene Allende all'epoca poiché i laboratori di ricerca erano ben preparati a ricevere campioni lunari dal programma Apollo. Hanno osservato la presenza di condruli più grandi e inclusioni ricche di calcio-alluminio in Allende, incastonato in una matrice a grana fine di silicati di dimensioni micrometriche e sub-micrometriche, ossidi, solfuri e metalli. Il meteorite altamente eterogeneo lo ha reso un candidato ideale per dimostrare i vantaggi della radiografia multimodale e della microscopia elettronica.
Lo et al. ha migliorato significativamente la risoluzione spaziale ottenuta finora sul meteorite per comprendere la composizione minerale e discutere i processi che potrebbero essersi verificati prima o dopo l'accrescimento. I risultati dell'imaging hanno rivelato molte trame e canali interni che suggeriscono vene d'urto e aggregati di fusione sul meteorite. Utilizzando le misure spettroscopiche, hanno classificato i principali componenti meteorici come silicati, solfuri e ossidi. Il lavoro multidimensionale ha fornito possibili indizi sulle origini e sul trasporto del meteorite Allende all'interno della nebulosa solare primitiva e ha evidenziato il potenziale di combinare l'imaging a raggi X ed elettronico per studiare diversi materiali eterogenei.
Latticiografia a raggi X e spettromicroscopia di assorbimento STXM. (da A a D) Localizzazione degli elementi principali nel meteorite rivelata dividendo le immagini pticografia pre-edge e on-edge ai bordi di assorbimento per Al, Fe, mg, e Ni. Le mappe del quoziente di assorbimento, visualizzato in scala logaritmica, mostrano la presenza di Fe nelle vene d'urto del silicato che è appena osservabile nelle immagini EDS (frecce rosse). (E e F) Mappe del quoziente di dispersione (fq) derivate da immagini tticografiche Mg pre-edge e Al pre-edge, rispettivamente. Questa regione di interesse è una vista ingrandita dal rettangolo rosso tratteggiato mostrato in (B). (G e H) mappe del rapporto Ni-Fe dalle mappe del quoziente di scattering pre-edge e Al pre-edge, rispettivamente. Queste mappe di rapporti vengono convertite utilizzando il metodo SQUARREL, data una quantità fissa di zolfo. La barra dei colori indica il rapporto Ni-Fe e il 100% implica una regione di solfuro di nichel puro. (da I a L) Spettri di assorbimento generati dalle scansioni di energia STXM attraverso i quattro bordi di assorbimento, rivelando impronte digitali spettrali uniche per ciascun rispettivo elemento e mostrando anche differenze spettrali pronunciate nelle diverse regioni contenenti ferro. Anche le intensità di picco relative tra Fe L3a e L3b rivelano la presenza di specie Fe2+ predominanti. Credito:progressi scientifici, doi:10.1126/sciadv.aax3009
Gli scienziati hanno condotto immagini spettrali multimodali di elettroni e raggi X utilizzando la tomografia HAADF e EDS e hanno depositato il grano di meteorite Allende su una griglia TEM rivestita di carbonio e lo hanno trasportato alla linea di luce COSMIC per l'imaging a raggi X. Quando hanno tagliato la ricostruzione iterativa di Fourier generalizzata (GENFIRE) HAADF del grano, hanno osservato una varietà di morfologie interne che hanno rivelato diverse fasi di assemblaggio. Nella matrice di meteoriti più grandi, hanno osservato lunghi canali interni che vanno da 20 a 50 nm di diametro per suggerire vene d'urto. Adiacente alla matrice, hanno osservato due granuli sferici ad alta intensità che rappresentano sacche di fusione. Utilizzando la tomografia EDS, il team ha determinato la composizione elementare del grano e ha osservato la presenza di carbonio (C), ossigeno (O), Magnesio (Mg), alluminio (Al), Silicio (Si), Zolfo (S), Cromo (Cr), Ferro (Fe) e Nichel (Ni). Hanno sovrapposto le ricostruzioni EDS e HAADF GENFIRE per rivelare i principali domini minerali, compreso il silicato di ferro e magnesio, ossido di ferro alluminio-cromo e solfuro di ferro-nichel.
Il team di ricerca ha utilizzato il contrasto differenziale di assorbimento dei raggi X per studiare le posizioni e le abbondanze degli elementi in modo più dettagliato per completare i risultati della microscopia elettronica. Per questo, hanno raccolto immagini bitticografiche della grana per individuare le posizioni di ciascun elemento con alto contrasto e risoluzione spaziale. A un esame più attento, il team ha osservato che le regioni con concentrazioni di Fe più elevate nel silicato coincidevano con le tasche e le vene di fusione di Al. Il team di ricerca ha sviluppato un metodo SQUARREL (analisi del quoziente di dispersione per recuperare il rapporto degli elementi) per recuperare informazioni quantitative sulla composizione elementare delle complesse immagini tticografiche. Gli scienziati hanno ottenuto due mappe del quoziente di dispersione per le immagini Mg pre-edge e Al pre-edge come regione di interesse. Queste mappe hanno mostrato un contrasto dell'immagine nuovo e diverso rispetto alle immagini XAS convenzionali o alle immagini a contrasto di fase. Il lavoro ha distinto diversi polimorfi minerali come un forte vantaggio della tecnica XAS rispetto all'EDS convenzionale e Lo et al. ha evidenziato la natura complementare della microscopia a raggi X e elettronica all'interno dello studio.
Possibile composizione dei grani basata sulla quantificazione EDS delle abbondanze elementari. Grafici ternari degli elementi principali quantificati dal metodo Cliff-Lorimer per tre diversi tipi di minerali nel grano meteorico. Le informazioni quantitative sulla composizione restringono i possibili tipi di minerali e suggeriscono che il solfuro è simile alla pentlandite (A), il silicato è simile alla ferrosilite (B), e l'ossido è uno spinello di cromo o cromite (C). peso %, il peso %. Credito:progressi scientifici, doi:10.1126/sciadv.aax3009
In questo modo, Yuan Huang Lo e un team di ricercatori hanno combinato la microscopia a raggi X ed elettronica per studiare il meteorite Allende e fornire informazioni complementari sugli stati strutturali e chimici del campione eterogeneo. Le informazioni combinate aiuteranno i ricercatori a identificare possibili fasi minerali presenti nel grano meteorico con risoluzione spaziale nanometrica. Gli scienziati hanno tracciato le composizioni dei principali elementi nel solfuro di ferro-nichel, regioni del grano di silicato di ferro-magnesio e di ossido di ferro di alluminio-cromo. Utilizzando analisi da dati di microscopia a raggi X ed elettronica, il team ha ristretto le identità dei vari raggruppamenti di fase per fornire un'immagine petrografica nanoscopica dettagliata del grano del meteorite.
Il team ha quantificato la composizione di Ni e Fe nella regione del solfuro di ferro-nichel utilizzando il metodo SQUARREL (un metodo di analisi tticografica semiquantitativa) per riconfermare l'identità del composto, precedentemente previsto solo utilizzando l'EDS. La tomografia HAADF e la pticografia a raggi X hanno fornito informazioni strutturali ad alta risoluzione sui possibili processi che hanno interessato il corpo genitore di Allende durante e dopo l'accrescimento. Hanno spiegato la possibilità di shock melting come causa di vene e tasche da shock localizzate per generare il materiale altamente deformato. In totale, le prove che Lo et al. raccolti utilizzando le due tecniche di imaging (HAADF e EDS con pticografia a raggi X e spettromicroscopia di assorbimento XTSM) concordavano bene con i precedenti studi 2-D di Allende, che erano relativamente a una risoluzione più grossolana.
Serie sperimentale tilt HAADF. Tutte le 69 proiezioni HAADF elaborate utilizzate come input per la ricostruzione GENFIRE. Ogni immagine era mascherata, normalizzato alla proiezione di riferimento, sfondo sottratto, e allineato dal centro di massa e dall'allineamento della linea comune. La sottrazione dello sfondo è stata ripetuta con l'allineamento per ridurre al minimo le differenze di linea comuni. La direzione orizzontale è l'asse di rotazione. Credito:progressi scientifici, doi:10.1126/sciadv.aax3009
I ricercatori hanno evidenziato la relazione sinergica tra l'immagine elettronica e quella a raggi X ei loro vantaggi complementari. I dati multidimensionali raccolti nello studio hanno fornito informazioni chimiche e strutturali quantitative sulle diverse fasi del grano del meteorite. Questo approccio di imaging multimodale è applicabile a molti altri sistemi eterogenei oltre ai meteoriti per ottenere nuove informazioni su molti altri materiali interessanti e complicati.
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