I microscopi rendono visibile l'invisibile. E rispetto ai microscopi ottici convenzionali, i microscopi a raggi X a trasmissione (TXM) possono vedere i campioni con una risoluzione molto più elevata, rivelando dettagli straordinari. I ricercatori di una vasta gamma di campi scientifici utilizzano TXM per vedere la composizione strutturale e chimica dei loro campioni, dalle cellule biologiche ai materiali per l'immagazzinamento dell'energia.

Ora, gli scienziati della National Synchrotron Light Source II (NSLS-II), una struttura per gli utenti dell'Office of Science del Dipartimento dell'Energia degli Stati Uniti (DOE) presso il Brookhaven National Laboratory del DOE, hanno sviluppato un TXM in grado di visualizzare campioni 10 volte più velocemente di quanto fosse possibile in precedenza. La loro ricerca è pubblicata in Lettere di fisica applicata .

"Abbiamo notevolmente migliorato la velocità degli esperimenti di microscopia a raggi X, " ha detto Wah-Keat Lee, scienziato capo della linea di luce FXI (Full Field X-ray Imaging) di NSLS-II, dove è stato costruito il microscopio. A FXI, Lee e i suoi colleghi hanno ridotto il tempo necessario a un TXM per l'immagine di campioni in 3-D da oltre 10 minuti a un solo minuto, pur continuando a produrre immagini con un'eccezionale risoluzione 3D, inferiore a 50 nanometri, o 50 miliardesimi di metro. "Questa svolta consentirà agli scienziati di visualizzare i loro campioni molto più velocemente su FXI rispetto a strumenti simili in tutto il mondo, " ha detto Lee.

Oltre a ridurre il tempo necessario per completare un esperimento, un TXM più veloce può raccogliere dati più preziosi dai campioni.

"Il Santo Graal di quasi tutte le tecniche di imaging è essere in grado di vedere un campione in 3-D e in tempo reale, " Lee ha detto. "La velocità di questi esperimenti è rilevante perché vogliamo osservare i cambiamenti che avvengono rapidamente. Ci sono molti cambiamenti strutturali e chimici che avvengono su scale temporali diverse, quindi uno strumento più veloce può vedere molto di più. Per esempio, abbiamo la capacità di monitorare come avviene la corrosione in un materiale, o come funzionano bene le varie parti di una batteria."

Per offrire queste capacità a FXI, il team aveva bisogno di costruire un TXM utilizzando gli ultimi sviluppi nel nanoposizionamento ultraveloce (un metodo per spostare un campione limitando le vibrazioni), rilevamento (un metodo per tracciare il movimento del campione), e controllo. Il nuovo microscopio è stato sviluppato internamente al Brookhaven Lab attraverso uno sforzo collaborativo tra gli ingegneri, personale della linea di luce, e team di ricerca e sviluppo presso NSLS-II.

I ricercatori hanno affermato che lo sviluppo di capacità superveloci presso FXI dipendeva fortemente anche dal design avanzato di NSLS-II.

"La nostra capacità di rendere FXI più di 10 volte più veloce di qualsiasi altro strumento al mondo è dovuta anche alla potente sorgente di raggi X su NSLS-II, " ha detto Lee. "Alla NSLS-II, abbiamo dispositivi chiamati oscillatori di smorzamento, che vengono utilizzati per ottenere i fasci di elettroni molto piccoli per l'impianto. Fortunatamente per noi, questi dispositivi producono anche un numero molto elevato di raggi X. La quantità di questi potenti raggi X è direttamente correlata alla velocità dei nostri esperimenti".

Utilizzando le nuove funzionalità di FXI, i ricercatori hanno ripreso la crescita dei dendriti d'argento su una scheggia di rame. In un solo minuto, la linea di luce ha catturato 1060 immagini 2-D del campione e le ha ricostruite per formare un'istantanea 3-D della reazione. Ripetendo questo, i ricercatori sono stati in grado di formare un minuto per minuto, Animazione 3D della reazione chimica.

"Abbiamo scelto di immaginare questa reazione perché dimostra la potenza di FXI, " disse Mingyuan Ge, autore principale della ricerca e scienziato presso NSLS-II. "La reazione è nota, ma non è mai stato visualizzato in 3-D con un tempo di acquisizione così veloce. Inoltre, la nostra risoluzione spaziale è da 30 a 50 volte più fine della microscopia ottica utilizzata in passato."

Con il completamento di questa ricerca, FXI ha iniziato le sue operazioni generali per gli utenti, dando il benvenuto a ricercatori di tutto il mondo per utilizzare le capacità avanzate della linea di luce.