Gli scienziati di DESY hanno sviluppato nuove lenti che consentono la microscopia a raggi X con una risoluzione record nel regime dei nanometri. Utilizzando nuovi materiali, il team di ricerca guidato dallo scienziato DESY Sasa Bajt del Center for Free-Electron Laser Science (CFEL) ha perfezionato la progettazione di ottiche a raggi X specializzate e ha raggiunto una dimensione del punto focale con un diametro inferiore a dieci nanometri. Un nanometro è un milionesimo di millimetro ed è più piccolo della maggior parte delle particelle virali. I ricercatori riportano il loro lavoro sulla rivista Luce:scienza e applicazioni . Hanno usato con successo le loro lenti per fotografare campioni di plancton marino.

I moderni acceleratori di particelle forniscono fasci di raggi X ultra luminosi e di alta qualità. La lunghezza d'onda corta e la natura penetrante dei raggi X sono ideali per l'indagine microscopica di materiali complessi. Però, sfruttare appieno queste proprietà richiede un'ottica altamente efficiente e quasi perfetta nel regime dei raggi X. Nonostante i grandi sforzi in tutto il mondo, questo si è rivelato più difficile del previsto, e realizzare un microscopio a raggi X in grado di risolvere caratteristiche inferiori a dieci nanometri è ancora una grande sfida.

A causa delle loro proprietà uniche, i raggi X non possono essere focalizzati facilmente come la luce visibile. Un modo è utilizzare ottiche a raggi X specializzate chiamate lenti Laue multistrato (MLL). Queste lenti sono costituite da strati alternati di due materiali diversi con spessore nanometrico. Sono preparati con un processo di rivestimento chiamato deposizione per polverizzazione. A differenza dell'ottica convenzionale, Gli MLL non rifrangono la luce ma funzionano diffrangendo i raggi X incidenti in modo da concentrare il raggio su un piccolo punto. Per realizzare questo, lo spessore dello strato dei materiali deve essere controllato con precisione. Gli strati devono cambiare gradualmente in spessore e orientamento in tutta la lente. La dimensione del fuoco è proporzionale allo spessore dello strato più piccolo nella struttura MLL.

Per soddisfare la precisione richiesta, Il team di Bajt ha combinato un nuovo processo di fabbricazione con una comprensione dettagliata delle proprietà del materiale, che spesso variano con lo spessore dello strato. Le nuove lenti sono costituite da oltre 10.000 strati alternati di una nuova combinazione di materiali, carburo di tungsteno e carburo di silicio. "La scelta della giusta coppia di materiali è stata fondamentale per il successo, " sottolinea Bajt. "Non esclude altre combinazioni di materiali ma è sicuramente il migliore che conosciamo ora".

Per mettere a fuoco un fascio di raggi X nelle direzioni verticale e orizzontale deve passare attraverso due lenti orientate perpendicolarmente. Utilizzando questa configurazione, una dimensione dello spot di 8,4 nanometri per 6,8 nanometri è stata misurata presso la stazione sperimentale Hard X-ray Nanoprobe presso la National Synchrotron Light Source NSLS II presso il Brookhaven National Laboratory negli Stati Uniti. La dimensione del fuoco è ciò che imposta la risoluzione del microscopio a raggi X. La risoluzione dei nuovi obiettivi è circa cinque volte migliore di quella ottenibile con i tipici obiettivi all'avanguardia.

"Abbiamo prodotto la messa a fuoco per raggi X più piccola al mondo utilizzando lenti ad alta efficienza, " dice Bajt. A causa della loro natura penetrante, I raggi X di solito passano direttamente attraverso i materiali delle lenti. Tali raggi ovviamente non contribuiscono alla messa a fuoco, e quindi un obiettivo a lungo termine è stato quello di produrre strutture di lenti che migliorano l'interazione con i raggi X, per dirigere una frazione elevata nel fuoco. Le nuove lenti hanno un'efficienza superiore all'80%. Questa elevata efficienza è ottenuta con le strutture stratificate che compongono la lente e che agiscono come un cristallo artificiale per diffrangere i raggi X in modo controllato.

L'elevata efficienza qui ottenuta dimostra l'altissimo livello di controllo nella produzione delle necessarie strutture nanometriche. Questa precisione consente l'imaging di proiezione su un'ampia gamma di ingrandimenti, come dimostrato dai test sui nuovi obiettivi. Alla linea di luce P11 della sorgente di raggi X PETRA III di DESY gli scienziati hanno prodotto ologrammi ad alta risoluzione di Acantharea, Radiolaria unicellulare appartenente al plancton marino e gli unici organismi noti per formare scheletri dal minerale solfato di stronzio (SrSO4) o celestite.

Il team di Bajt ha anche utilizzato le nuove lenti per visualizzare i gusci biomineralizzati delle diatomee planctoniche marine. Questi organismi unicellulari hanno gusci intricati, che sono costruzioni stabili molto complesse ma anche leggere. Sono costituiti da silice nanostrutturata, che è stato osservato in analisi bidimensionali con microscopi elettronici prima. Molto probabilmente a causa di questa strutturazione, la resistenza della silice è eccezionalmente elevata - dieci volte superiore a quella dell'acciaio da costruzione - sebbene sia prodotta in condizioni di bassa temperatura e pressione.

"Speriamo che la nuova ottica a raggi X renda presto possibile l'immagine di queste nanostrutture in 3D. Ciò ci consentirà di modellare e comprendere le elevate prestazioni meccaniche di questi gusci e ci aiuterà a sviluppare nuovi, materiali ecologici e ad alte prestazioni, " dice Christian Hamm dell'Istituto Alfred Wegener, Centro Helmholtz per la ricerca polare e marina (AWI), che ha fornito i campioni ed è coautore di questo studio.

I nuovi obiettivi possono essere utilizzati in un'ampia gamma di applicazioni, tra cui l'imaging a nanorisoluzione e la spettroscopia. "Questi MLL aprono nuove ed entusiasmanti opportunità nella scienza dei raggi X. Possono essere progettati per diverse energie e utilizzati con fonti coerenti, come i laser a raggi X a elettroni liberi, " dice Bajt. "Questo grande risultato non sarebbe stato possibile senza un meraviglioso team con esperienza in ottica e teoria dei raggi X, nanofabbricazione, scienza materiale, elaborazione dati e strumentazione. Poiché ora sappiamo come ottimizzare il design dell'obiettivo, il nostro lavoro apre la strada per raggiungere in definitiva l'obiettivo di una risoluzione nanometrica nella microscopia a raggi X".