La tomografia consente di rappresentare in 3D l'interno di una vasta gamma di oggetti, dalle strutture cellulari agli apparecchi tecnici. I ricercatori del Paul Scherrer Institut (PSI) hanno ora ideato un metodo che apre nuove scale di imaging tomografico e renderà quindi possibile lo studio dettagliato di volumi rappresentativi di tessuti biologici e campioni di scienza dei materiali in futuro. Fino ad ora, i dettagli rilevanti su una scala di pochi nanometri erano visibili solo con metodi che richiedevano campioni molto sottili.

Con l'aiuto di uno speciale prototipo installato presso la Swiss Light Source (SLS) del PSI, i ricercatori hanno ora raggiunto una risoluzione 3D di sedici nanometri su un campione di prova di vetro nanoporoso, un'impresa che non ha eguali per la tomografia a raggi X. La misurazione non è distruttiva, quindi permette di studiare piccoli dettagli nel contesto dell'ambiente circostante o di analizzare volumi di campione più grandi in modo tale che le informazioni ottenute siano meno influenzate dalle varianze indotte localmente. La risoluzione di 16 nm è stata ottenuta su un prototipo dello strumento OMNY, che è ancora in costruzione. La versione finale consentirà ai ricercatori di raffreddare il campione durante l'esperimento per prevenire danni al campione indotti dai raggi X.

Nella vita di tutti i giorni, conosciamo principalmente l'imaging a raggi X come una procedura medica che consente ai medici di vedere all'interno del corpo umano senza danneggiare il paziente. Oggi, però, diversi metodi di imaging svolgono un ruolo in una vasta gamma di campi di ricerca, dove consentono l'imaging tridimensionale per una vasta gamma di applicazioni, che vanno dal tessuto biologico, dispositivi tecnici come catalizzatori, fossili ad opere d'arte antiche. I ricercatori del Paul Scherrer Institut hanno ora sviluppato uno strumento che rende possibile la tomografia a raggi X con una risoluzione 3D senza precedenti. È specializzato per studi in cui i ricercatori sono interessati a dettagli di pochi nanometri, come le strutture fini dei componenti delle celle oi moderni catalizzatori e batterie. Fino ad ora, dettagli così fini potevano essere resi visibili solo con l'ausilio di microscopi elettronici, che non sono in grado di visualizzare l'interno dei campioni studiati a meno che non vengano utilizzati campioni ultrasottili o sezionati. Di conseguenza, il metodo di preparazione o misurazione potrebbe causare danni alle strutture di interesse. Inoltre, era difficile visualizzare le strutture compreso il loro ambiente reale. Per campioni spessi, la tomografia a raggi X duri è stata limitata a una risoluzione di circa 150 nanometri.

Per molti anni, La tomografia a raggi X è stata condotta a varie sorgenti di luce di sincrotrone, come la Swiss Light Source al PSI. Questo tipo di imaging prevede lo screening dell'oggetto da diverse direzioni con raggi X in modo tale che ogni volta venga generata un'immagine fluoroscopica, una cosiddetta radiografia, molto simile a una TAC a raggi X medica. Con l'aiuto di speciali software i ricercatori combinano queste immagini per formare un'immagine tridimensionale, dove la distribuzione del materiale è visibile in tre dimensioni.

Alta risoluzione grazie al metodo di imaging alternativo

I ricercatori del PSI hanno ora optato per un approccio alternativo per ottenere una risoluzione notevolmente più elevata. La semplice creazione di una radiografia come immagine fluoroscopica limita la risoluzione che può essere raggiunta. Perciò, il metodo qui presentato, imaging tticografico (dimostrato per la prima volta nella sua forma moderna con i raggi X al PSI nel 2010), sfrutta il fatto che la luce dei raggi X non solo viene indebolita nel suo percorso attraverso il campione studiato, ma anche parzialmente disperso. Misurando esattamente in quali direzioni quanta e anche quanta luce viene dispersa, si possono dedurre le strutture del campione. Per misurare un singolo modello di dispersione, i ricercatori illuminano solo una piccola area del campione e ripetono la misurazione in diversi punti del campione fino a quando l'intero campione non è stato vagliato. Alla fine, da centinaia di modelli di dispersione, la tticografia fornisce un unico, proiezione ad alta risoluzione che corrisponde a un'immagine radiografica ad alta risoluzione. Come con tutti i metodi di tomografia, il campione viene anche ruotato in piccoli incrementi e studiato da direzioni diverse.

Posizionamento di precisione nanometrico

I ricercatori hanno prima testato il loro strumento su un campione artificiale:un piccolo pezzo di vetro, sei micrometri di diametro, che conteneva pori rivestiti da un sottile strato di metallo. Durante la misurazione, sono stati in grado di raggiungere una risoluzione spaziale di sedici nanometri e di raggiungere un record mondiale. "Stiamo parlando di una scala di imaging che colma il divario tra i raggi X convenzionali e la tomografia elettronica. La risoluzione è molto alta, ma anche lo spessore del campione e quindi il volume studiato è relativamente grande. La principale sfida della strumentazione è il fatto che il campione doveva essere posizionato con grande precisione, " sottolinea Mirko Holler, il responsabile del progetto. "Questo perché l'accuratezza del posizionamento del campione doveva essere maggiore della risoluzione da ottenere. Quindi dovevamo conoscere la posizione del campione entro pochi nanometri durante l'intera misurazione, che pone nuove difficoltà in un sistema di imaging." Il posizionamento estremamente preciso e la misurazione della posizione richiedevano nuovi approcci sperimentali sviluppati al PSI e che ora vengono utilizzati in molte sorgenti di luce di sincrotrone in tutto il mondo.

"Solo un prototipo"

Questo record mondiale è stato raggiunto su uno strumento che è "davvero solo un prototipo", tuttavia, grazie al suo successo, l'accesso a questo prototipo è offerto agli utenti ed è molto richiesto. L'impianto definitivo è attualmente in costruzione e la sua progettazione beneficia dell'esperienza qui maturata. Una caratteristica fondamentale dello strumento finale, chiamato OMNY (tomografia Nano crYo), è la possibilità di raffreddare significativamente il campione durante la misura. "La radiazione a raggi X danneggia i campioni durante la misurazione in modo che cambino gradualmente e persino si deformino. Di conseguenza, la risoluzione della misurazione è limitata da questa dose di radiazione, soprattutto con oggetti sensibili come materiali biologici, " spiega Holler. "Questo effetto è notevolmente ridotto attraverso il raffreddamento, il che significa che possiamo anche sfruttare i vantaggi del metodo per le misurazioni su materiali sensibili alle radiazioni."

Fino al completamento del nuovo microscopio, il prototipo continuerà ad essere utilizzato per studi scientifici insieme agli utenti dell'SLS. Finora, ad esempio, materiali come gesso, cemento, celle solari e fossili sono stati studiati in collaborazione con vari istituti di ricerca.