I fisici di HZB hanno sviluppato un processo per generare lenti migliorate per la microscopia a raggi X che forniscono sia una migliore risoluzione che una maggiore produttività. Per realizzare questo, fabbricano ottiche a raggi X tridimensionali per la diffrazione del volume che consistono in piastre di zona di Fresnel impilate su chip. Queste nanostrutture tridimensionali focalizzano i raggi X incidenti in modo molto più efficiente e consentono una migliore risoluzione spaziale al di sotto dei dieci nanometri.

Nel futuro, questo tipo di nuova ottica a raggi X dovrebbe essere disponibile per gli utenti presso la sorgente di sincrotrone BESSY II. Tra le tante applicazioni, la risoluzione migliorata consente indagini sulle caratteristiche ultrastrutturali in campioni biologici e studi sulle nanostrutture in nuovi sistemi di batterie.

La lunghezza d'onda della luce limita la risoluzione in microscopia. La luce visibile può risolvere strutture dell'ordine di un quarto di micron, mentre la lunghezza d'onda notevolmente più corta dei raggi X può in linea di principio risolvere caratteristiche fino a pochi nanometri. Inoltre, I raggi X possono anche penetrare più in profondità nei campioni, in modo da poter indagare le strutture interne dei campioni tridimensionali. Però, sebbene la luce nella regione visibile possa essere focalizzata usando lenti rifrattive in vetro, questo approccio non funziona con i raggi X molli. Per utilizzare i raggi X per l'imaging, è necessario utilizzare piastre di zona Fresnel, che sono costituiti da anelli concentrici composti da metalli come il nichel o l'oro. Questi anelli metallici diffrangono i raggi X in modo che i contributi delle diverse zone si sovrappongano costruttivamente nel punto focale. Il risultato è che le piastre zonali di Fresnel fungono da lenti dell'obiettivo per mettere a fuoco i raggi X e possono essere impiegate nei microscopi a raggi X. La risoluzione spaziale ottenibile dipende dalla larghezza dell'anello più piccola che può essere prodotta, che fino ad ora è stato di una decina di nanometri.

Un miglioramento della risoluzione spaziale al di sotto dei dieci nanometri pone problemi fisici sia tecnologici che fondamentali. Da una parte, è tecnologicamente estremamente impegnativo fabbricare strutture a zone periodiche aventi una larghezza dell'anello inferiore a dieci nanometri e un'altezza di poche centinaia di nanometri. D'altra parte, calcoli teorici indicano che questi tipi di ottiche con larghezza dell'anello decrescente sarebbero sempre più inefficienti e raccoglierebbero semplicemente troppo poca luce. Questo dilemma può essere risolto con l'aiuto della diffrazione del volume. Però, l'approccio richiede caratteristiche di zona che hanno contemporaneamente un angolo di inclinazione crescente e un'altezza della zona in diminuzione rispetto al raggio, ovvero ottica a raggi X strutturata tridimensionale. "Teoricamente, anche se, quasi il 100% della luce incidente potrebbe essere utilizzata per l'immagine, " spiega il Dr. Stephan Werner del Microscopy Research Group presso l'HZB Institute for Soft Matter and Functional Materials.

In un primo passo verso l'ottica a raggi X tridimensionale, gli esperti di HZB hanno realizzato tre strati di piastre di zona Fresnel quasi perfettamente uno sopra l'altro. "Abbiamo sviluppato un processo che consente l'impilamento su chip di piastre della zona di Fresnel con una precisione inferiore a due nanometri, "dice il dottor Gerd Schneider, che dirige il Microscopy Research Group. Le misurazioni iniziali dimostrano che questa struttura cattura molta più luce per l'imaging rispetto alle tradizionali lastre a zona di Fresnel. "Se riusciamo a posizionare cinque strati di piastre di zona uno sopra l'altro, che è il nostro prossimo obiettivo, saremo in grado di utilizzare una frazione molte volte superiore della luce a raggi X incidente per l'imaging rispetto a quanto è stato disponibile fino ad ora, "dice Werner.

Il team HZB riferisce sullo sviluppo della nuova ottica a raggi X nella rivista tecnica Nano ricerca . Anche gli utenti di BESSY II potrebbero presto trarre vantaggio da questo progresso. La microscopia a raggi X è una tecnica importante per una vasta gamma di argomenti di ricerca, per esempio nelle scienze della vita per studiare gli organelli cellulari, virus, e nanoparticelle all'interno delle cellule, così come per la scienza dei materiali e la ricerca energetica per studiare nuovi approcci di stoccaggio dell'energia elettrochimica in situ.