La capacità di diagnosticare e prevedere le proprietà dei materiali è vitale, in particolare nel settore in espansione delle nanotecnologie. La microscopia elettronica e a sonda atomica può classificare gli atomi in sottili fogli di materiale, e in piccole aree di campioni più spessi, ma si è dimostrato molto più difficile mappare i costituenti delle nanostrutture all'interno di grandi, oggetti spessi. I raggi X, lo strumento di imaging più comune per materiali biologici duri come le ossa, hanno una dimensione del punto focale limitata, quindi non possono concentrarsi su oggetti su scala nanometrica.

Ora, Yukio Takahashi e colleghi dell'Università di Osaka, insieme ai ricercatori della Nagoya University e del centro RIKEN SPring-8 di Hyogo, sono riusciti per la prima volta a produrre immagini bidimensionali di nanostrutture racchiuse in materiali spessi su larga scala. Il loro lavoro è stato possibile perché hanno progettato un nuovo sistema di microscopia a diffrazione dei raggi X che non richiede una lente.

“Le principali sfide in questo lavoro erano realizzare microscopia a diffrazione di raggi X con un'alta risoluzione e un ampio campo visivo, quindi estenderlo all'imaging specifico dell'elemento, "Spiega Takahashi. "Abbiamo raggiunto questo obiettivo stabilendo una tecnica di imaging di diffrazione a raggi X a scansione chiamata pticografia a raggi X".

La Ptychography comporta l'acquisizione di immagini di un oggetto che si sovrappongono l'una all'altra su una serie di punti reticolari coincidenti. I ricercatori hanno combinato questa tecnica con i raggi X, e comprendeva un sistema per compensare la deriva dell'ottica durante l'imaging. Takahashi e i suoi colleghi hanno focalizzato i raggi X utilizzando i cosiddetti "specchi Kirkpatrick-Baez" che hanno permesso loro di raccogliere dati di diffrazione di alta qualità.

Il loro sistema monitora i cambiamenti nella diffrazione dei raggi X a due diverse energie. Il grado di differenza di fase tra le due energie dei raggi X cambia significativamente al limite di assorbimento dell'elemento bersaglio. Questo è legato al numero atomico dell'elemento, il che significa che gli elementi presenti nel materiale possono essere identificati. Per verificare che il loro sistema funzioni, i ricercatori hanno depositato nanoparticelle di oro/argento di circa 200 nanometri su una membrana di nitruro di silicio, e ha prodotto immagini ad alta risoluzione e su larga scala delle particelle. Le risoluzioni erano migliori di 10 nanometri (Fig. 1).

“Una delle applicazioni pratiche [di questa tecnica] in futuro è la possibile osservazione di cellule, ” spiega Takahashi. “La forma di una cellula intera e la distribuzione spaziale dei [suoi] organelli potrebbero essere visualizzati tridimensionalmente con una risoluzione di 10 nanometri, per fornire informazioni chiave sull'organizzazione all'interno delle cellule. Speriamo di vedere questa tecnica utilizzata nella scienza biologica e dei materiali in futuro”.