È una verità da molto tempo:se vuoi studiare il movimento e il comportamento dei singoli atomi, La microscopia elettronica può darti ciò che i raggi X non possono. I raggi X penetrano bene nei campioni:consentono di vedere cosa succede all'interno delle batterie mentre si caricano e si scaricano, per esempio, ma storicamente non sono stati in grado di visualizzare spazialmente con la stessa precisione degli elettroni.

Ma gli scienziati stanno lavorando per migliorare la risoluzione dell'immagine delle tecniche a raggi X. Uno di questi metodi è la tomografia a raggi X, che consente l'imaging non invasivo dell'interno dei materiali. Se vuoi mappare le complessità di un microcircuito, Per esempio, o tracciare i neuroni in un cervello senza distruggere il materiale che stai guardando, hai bisogno di una tomografia a raggi X, e migliore è la risoluzione, più piccoli sono i fenomeni che si possono tracciare con il fascio di raggi X.

A quello scopo, un gruppo di scienziati guidati dall'Argonne National Laboratory del Dipartimento dell'Energia degli Stati Uniti (DOE) ha creato un nuovo metodo per migliorare la risoluzione della nanotomografia a raggi X duri. (La nanotomografia è l'imaging a raggi X sulla scala dei nanometri. Per confronto, un capello umano medio è 100, 000 nanometri di larghezza.) Il team ha costruito un microscopio a raggi X ad alta risoluzione utilizzando i potenti fasci di raggi X dell'Advanced Photon Source (APS) e ha creato nuovi algoritmi informatici per compensare i problemi riscontrati su scale minuscole. Usando questo metodo, il team ha raggiunto una risoluzione inferiore a 10 nanometri.

"Vogliamo essere a 10 nanometri o meglio, " ha detto Michael Wojcik, un fisico nel gruppo di ottica della Divisione di scienze a raggi X (XSD) di Argonne. "L'abbiamo sviluppato per la nanotomografia perché possiamo ottenere informazioni 3D nell'intervallo di 10 nanometri più velocemente di altri metodi, ma l'ottica e l'algoritmo sono applicabili anche ad altre tecniche a raggi X."

Utilizzando il microscopio a raggi X a trasmissione (TXM) interno alla linea di luce 32-ID dell'APS, comprese le lenti speciali realizzate da Wojcik presso il Center for Nanoscale Materials (CNM), il team è stato in grado di utilizzare le caratteristiche uniche di X- raggi e ottenere immagini 3D ad alta risoluzione in circa un'ora. Ma anche quelle immagini non erano proprio alla risoluzione desiderata, così il team ha ideato una nuova tecnica computerizzata per migliorarli ulteriormente.

I problemi principali che il team ha cercato di correggere sono la deriva e la deformazione del campione. A queste piccole scale, se il campione si muove all'interno del raggio, anche di un paio di nanometri, o se il fascio di raggi X provoca anche il minimo cambiamento nel campione stesso, il risultato saranno artefatti di movimento sull'immagine 3D del campione. Ciò può rendere molto più difficile l'analisi successiva.

Una deriva del campione può essere causata da tutti i tipi di cose su una scala così piccola, comprese le variazioni di temperatura. Per eseguire la tomografia, anche i campioni devono essere ruotati in modo molto preciso all'interno del raggio, e ciò può portare a errori di movimento che assomigliano a derive del campione nei dati. Il nuovo algoritmo del team Argonne lavora per rimuovere questi problemi, ottenendo un'immagine 3D più chiara e nitida.

"Abbiamo sviluppato un algoritmo che compensa la deriva e la deformazione, "ha detto Viktor Nikitin, ricercatore associato in XSD ad Argonne. "Quando si applicano metodi di ricostruzione 3D standard, abbiamo raggiunto una risoluzione nell'intervallo di 16 nanometri, ma con l'algoritmo l'abbiamo ridotto a 10 nanometri."

Il team di ricerca ha testato la loro attrezzatura e tecnica in diversi modi. Per prima cosa hanno catturato immagini 2D e 3D di una minuscola lastra con caratteristiche larghe 16 nanometri fabbricata da Kenan Li, poi della Northwestern University e ora dello SLAC National Accelerator Laboratory del DOE. Sono stati in grado di visualizzare piccoli difetti nella struttura della lastra. Lo hanno poi testato su un vero dispositivo di accumulo di energia elettrochimica, utilizzando i raggi X per sbirciare all'interno e acquisire immagini ad alta risoluzione.

Vincenzo de Andrade, uno scienziato della linea di luce ad Argonne al momento di questa ricerca, è l'autore principale del documento. "Anche se questi risultati sono eccezionali, " Egli ha detto, "c'è ancora molto spazio per migliorare questa nuova tecnica."

Le capacità di questo strumento e di questa tecnica miglioreranno con un continuo sforzo di ricerca e sviluppo su ottiche e rivelatori, e beneficerà dell'aggiornamento in corso dell'APS. Una volta completato, l'impianto aggiornato genererà fasci di raggi X ad alta energia che sono fino a 500 volte più luminosi di quelli attualmente possibili, e ulteriori progressi nell'ottica a raggi X consentiranno fasci ancora più stretti con una risoluzione più elevata.

"Dopo l'aggiornamento, spingeremo per otto nanometri e sotto, " ha detto Nikitin. "Ci auguriamo che questo sarà un potente strumento per la ricerca su scale sempre più piccole".

La ricerca del team è stata pubblicata in Materiale avanzato .