Con i microscopi a raggi X, i ricercatori del PSI guardano all'interno dei chip dei computer, catalizzatori, piccoli pezzi di osso, o tessuto cerebrale. La corta lunghezza d'onda dei raggi X rende visibili dettagli che sono un milione di volte più piccoli di un granello di sabbia, strutture nell'ordine dei nanometri (milionesimi di millimetro). Come in un normale microscopio, una lente viene utilizzata per raccogliere la luce diffusa dal campione e forma un'immagine ingrandita sulla fotocamera. Piccole strutture, però, diffondere la luce ad angoli molto grandi. Per ottenere un'alta risoluzione nell'immagine, è necessaria una lente corrispondentemente grande. "Rimane estremamente difficile produrre obiettivi così grandi, " dice il fisico del PSI Klaus Wakonig:"Quando si lavora con la luce visibile, ci sono obiettivi che possono catturare angoli di diffusione molto grandi. Con i raggi X, però, questo è più complicato a causa della debole interazione con il materiale della lente. Come conseguenza, di solito si possono catturare solo angoli molto piccoli, o le lenti sono piuttosto inefficienti."

Il nuovo metodo sviluppato da Wakonig e dai suoi colleghi aggira questo problema. "L'immagine finale è come se l'avessimo misurata con un grande obiettivo, " spiega il ricercatore. Il team del PSI utilizza una lente piccola ma efficiente, come è comunemente applicato nella microscopia a raggi X, e lo sposta su un'area che un obiettivo ideale coprirebbe. Questo crea virtualmente un grande obiettivo. "In pratica, andiamo in diversi punti con l'obiettivo e scattiamo una foto in ogni luogo, " Spiega Wakonig. "Quindi utilizziamo algoritmi informatici per combinare tutte le immagini per generare un'immagine ad alta risoluzione".

Dalla luce visibile ai raggi X

Normalmente, i ricercatori evitano di spostare le lenti negli strumenti lontano dall'asse ottico, poiché ciò può causare distorsioni dell'immagine. Però, poiché gli scienziati in questo caso conoscono l'esatta posizione dell'obiettivo e illuminano molti punti vicini, possono ricostruire come la luce è stata dispersa e come appariva il campione. Il metodo, nota come tticografia di Fourier, è stato utilizzato per la microscopia nella regione visibile dal 2013. Nei loro esperimenti al PSI, i ricercatori sono stati in grado di applicare questo principio alla microscopia a raggi X per la prima volta in assoluto. "Per quanto a nostra conoscenza, finora non è stata segnalata alcuna implementazione di successo della tticografia di Fourier a raggi X, " scrivono i ricercatori Progressi scientifici .

Il nuovo metodo offre non solo una risoluzione più elevata, ma anche due tipi complementari di informazioni di imaging. in primo luogo, c'è la misura di quanta luce viene assorbita dall'oggetto da riprendere, proprio come con qualsiasi fotocamera normale. Eppure, in aggiunta, viene registrato anche il modo in cui la luce viene rifratta. Gli esperti parlano di contrasto di assorbimento e contrasto di fase. "Il nostro metodo fornisce il contrasto di fase, che altrimenti è difficile da ottenere, praticamente gratis, "dice Ana Diaz, scienziato della linea di luce al PSI:"Questo rende la qualità delle immagini molto migliore". Il contrasto di fase consente anche di trarre conclusioni sulle proprietà del materiale del campione in esame, che di solito non è possibile con le normali tecniche di imaging.

Particolarmente interessante per i campioni biologici

Nei loro esperimenti, il campione esaminato dai ricercatori era un chip rivelatore. Nel futuro, il nuovo metodo potrebbe essere utilizzato per rivelare, Per esempio, come funziona un catalizzatore quando viene aggiunto un gas, o quando e come il metallo si rompe sotto pressione.

Ma anche i tessuti e gli aggregati cellulari potrebbero essere studiati meglio con questo metodo. I ricercatori sperano che ciò fornisca nuove informazioni sullo sviluppo di malattie come l'Alzheimer o l'epatite. Diaz spiega i vantaggi del nuovo metodo:"I campioni biologici normalmente non hanno un buon contrasto di assorbimento. Qui il contrasto di fase consente una qualità dell'immagine notevolmente migliorata". Inoltre, i ricercatori sospettano che la tticografia di Fourier sia più delicata dei metodi precedenti. "Un confronto con la normale microscopia a raggi X indica che il nuovo metodo richiede una dose inferiore di radiazioni, perché è più efficiente", Wakonig dice. "Questo potrebbe essere particolarmente interessante per gli studi su campioni biologici".

I ricercatori hanno installato la loro attrezzatura dimostrativa presso la linea di luce cSAXS della Swiss Light Source SLS. "Attualmente, gli esperimenti sono ancora piuttosto complessi e richiedono molto tempo, " Diaz dice. Perché il nuovo metodo funzioni, i raggi X impiegati devono essere in una sorta di unisono:come affermano i ricercatori, devono essere coerenti. Tali esperimenti attualmente richiedono strutture di ricerca su larga scala come SLS. Ma Wakonig sta anche studiando se il metodo potrebbe essere realizzato con meno coerenza. Se la tecnica potesse essere utilizzata per esaminare campioni alle normali sorgenti di raggi X di laboratorio, si aprirebbero molte ulteriori aree di applicazione.