I collaboratori di Photon Sciences e Sustainable Energy Technologies stanno dietro al nuovo microscopio a raggi X a trasmissione (TXM) presso la National Synchrotron Light Source di Brookhaven. Da sinistra:Yu-chen Karen Chen-Wiegart, Can Erdonmez, Jun Wang (capo squadra), e Cristoforo Ing.
(Phys.org) -- Un nuovo microscopio a raggi X sonda le complessità interne di materiali più piccoli delle cellule umane e crea immagini 3D ad alta risoluzione senza precedenti. Integrando calibrazioni automatiche uniche, gli scienziati del Brookhaven National Laboratory del Dipartimento dell'Energia degli Stati Uniti sono in grado di catturare e combinare migliaia di immagini con maggiore velocità e precisione rispetto a qualsiasi altro microscopio. L'osservazione diretta di strutture di 25 nanometri offrirà progressi fondamentali in molti campi, compresa la ricerca energetica, Scienze Ambientali, biologia, e difesa nazionale.
Questo innovativo microscopio a raggi X a trasmissione a pieno campo (TXM), finanziato dall'American Reinvestment and Recovery Act, è stato sviluppato e commissionato presso la National Synchrotron Light Source (NSLS) del Brookhaven Lab, che fornisce la sorgente di raggi X necessaria per acquisire immagini su scala nanometrica. Un nuovo documento pubblicato nell'aprile 2012 in Applied Physics Letters descrive in dettaglio il successo sperimentale di un sistema rivoluzionario che combina rapidamente immagini 2D prese da ogni angolazione per formare costrutti 3D digitali.
“Possiamo effettivamente vedere la struttura 3D interna dei materiali su scala nanometrica, ” ha detto il fisico di Brookhaven Jun Wang, autore principale del documento e capo del team che per primo ha proposto questo TXM. “Il dispositivo funziona magnificamente, e supera diversi importanti ostacoli per i microscopi a raggi X. Siamo entusiasti di vedere come questa tecnologia spingerà la ricerca”.
Costruire una dimensione in più
Il team di Wang ha esaminato, Per esempio, un elettrodo da 20 micrometri di una batteria agli ioni di litio, sottile come un capello umano. L'interazione interna di pori e particelle determina le prestazioni energetiche della batteria, e l'esame di tale attività richiede una conoscenza precisa della struttura su scala nanometrica.
La squadra di Wang ha preso 1, 441 immagini 2D dell'elettrodo mentre una macchina ruotava il minuscolo campione di materiale per catturare ogni possibile angolazione. La sfida diventa quindi convertire quelle immagini separate in un'unica struttura 3D, una in cui ogni nanometro fa la differenza. Su questa scala, le solite oscillazioni di un micron sono simili in scala a scattare un ritratto e far saltare il soggetto di diversi piedi su entrambi i lati.
Questa ricostruzione 3D di un elettrodo di una batteria agli ioni di litio, composto da 1, 441 singole immagini catturate e allineate dal TXM, rivela dettagli strutturali su nanoscala per aiutare a guidare la futura ricerca energetica.
Prima di questo nuovo sistema, gli scienziati hanno dovuto allineare manualmente ogni singola immagine o utilizzare un software per interpretare lentamente i cambiamenti. Ciò ha avuto due importanti effetti limitanti sul processo:primo, il campione deve avere caratteristiche interne nitide o essere contrassegnato per fornire linee guida, che può limitare i tipi di materiale; e secondo, l'allineamento manuale richiede così tanto tempo che il conteggio totale dell'immagine raggiunge picchi di centinaia. Il TXM di Brookhaven lo cambia.
Per la prima volta, il campione è montato su una piattaforma con tre sensori che misurano spostamenti nanometrici in qualsiasi direzione mentre la batteria ruota e il microscopio scatta foto. Il computer che registra le immagini, dopo la calibrazione con una sfera d'oro, quindi compensa automaticamente eventuali spostamenti e assembla accuratamente le immagini nel costrutto tridimensionale finale. L'intero processo richiede solo quattro ore, e questo deve più ai raggi X disponibili da NSLS che al microscopio o al computer.
Il futuro del 3D
Sorgente di luce di sincrotrone nazionale II di Brookhaven (NSLS-II), prevista per essere online nel 2015, sfrutterà le capacità di questo TXM su una scala ancora più radicale. Immagino che la batteria agli ioni di litio ne abbia impiegate 10, 000 secondi su NSLS, ma con il flusso luminoso più elevato della nuova sorgente luminosa, o luminosità dei raggi X, sarà 1, 000 volte più veloce, riducendo quel tempo a soli 10 secondi.
Oltre all'osservazione strutturale diretta, il TXM farà anche avanzare la comprensione elementare e chimica dei materiali. Mantenere un ingrandimento costante durante l'imaging spettroscopico, che esamina i modi unici in cui la materia interagisce con le radiazioni, gli scienziati saranno in grado di identificare le singole configurazioni chimiche all'interno dei campioni. La ricerca è attualmente in corso dal team di Wang per dimostrare questa capacità.
Nanoimaging per l'industria e la sicurezza nazionale
Il TXM è stato acquistato con il sostegno dell'American Recovery and Reinvestment Act, progettati per stimolare l'attività economica e creare posti di lavoro. Xradia, un'azienda californiana specializzata in microscopia a raggi X 3D, costruito il nuovo dispositivo. I fisici di Brookhaven Lab hanno lavorato in stretta collaborazione con gli ingegneri di Xradia, spiegando i loro obiettivi di ricerca specifici e le esigenze di prestazione.
“Questa è stata una collaborazione di grande successo, e Xradia è stato il nostro partner fondamentale in questo progetto, ” ha detto Wang. “Siamo ancora in frequenti contatti per fornire loro feedback sulle prestazioni del microscopio, in modo che possano essere apportate future innovazioni di design.”
Mentre l'attenzione per il nuovo TXM sarà probabilmente sui combustibili energetici alternativi e sulle soluzioni di stoccaggio, le intuizioni fondamentali sono già state applicate alle strutture delle radici delle piante, catalizzatori, ed elettronica avanzata. Il successo dimostrato del sistema di imaging 3D ha già attirato l'interesse degli utenti commerciali, con grandi aziende come UOP e IBM che pianificano il tempo al TXM. La Defense Advanced Research Projects Agency (DARPA) prevede inoltre di utilizzare il nuovo microscopio per sondare le intricate strutture dei microchip importati nell'interesse della sicurezza nazionale.
