Nel 1999, Il professore dell'UCLA John Miao ha aperto la strada a una tecnica chiamata imaging diffrattivo coerente, o CDI, che consente agli scienziati di ricreare la struttura 3D di campioni non cristallini o nanocristalli. Il risultato è stato estremamente significativo perché sebbene la cristallografia a raggi X avesse a lungo permesso agli scienziati di determinare la struttura atomica di un'ampia varietà di molecole, compreso il DNA, non funziona per materiali non cristallini utilizzati in una varietà di discipline, compresa la fisica, chimica, scienza dei materiali, nanoscienza, geologia e biologia.
Un articolo di Miao e dei suoi colleghi nell'ultimo numero di Scienza esamina e analizza il rapido sviluppo di brillanti sorgenti di raggi X che gli scienziati di tutto il mondo hanno utilizzato per un'ampia gamma di applicazioni della sua invenzione nelle scienze fisiche e biologiche.
Il CDI ora viene utilizzato in una gamma di applicazioni più ampia di quanto Miao avesse immaginato, e la tecnica è diventata sempre più importante per gli scienziati che esplorano i confini della nanoscienza osservabile.
Miao, professore di fisica e astronomia, scoperto che illuminando un campione non cristallino con un brillante laserlike, o coerente, Raggi X, potrebbe usare un rilevatore senza lenti per registrare lo schema, o diffrazione, della dispersione dei raggi X. Ha quindi ricreato la struttura 3D del campione sviluppando algoritmi avanzati di recupero di fase applicati al pattern di diffrazione, motivo per cui la sua tecnica viene talvolta definita imaging senza lenti.
CDI ha trasformato la visione convenzionale della microscopia sostituendo la lente fisica con un algoritmo di calcolo. Evitando l'uso di lenti, CDI può ottenere immagini di oggetti su scala nanometrica con alta risoluzione e alto contrasto. Presenta anche vantaggi rispetto ad altre tecniche di imaging come la microscopia elettronica perché può essere utilizzato per l'immagine di campioni spessi in tre dimensioni.
Si prevede che questa potente tecnica di imaging amplierà profondamente la nostra comprensione di un'ampia gamma di fenomeni dinamici in fisica, chimica e microelettronica; Per esempio, transizioni di fase, quando le sostanze cambiano rapidamente da uno stato all'altro.
Il CDI è ideale per la caratterizzazione 3D quantitativa di materiali su scala nanometrica per diversi motivi. I raggi X hanno una profondità di penetrazione maggiore degli elettroni, quindi i campioni in un microscopio elettronico vengono distrutti dal potente fascio di elettroni del microscopio mentre vengono visualizzati, ma i raggi X di CDI possono spesso evitare la distruzione del campione. CDI consente anche prodotti chimici su scala nanometrica, elementare, e mappatura magnetica 3D di materia complessa.
Nella scienza dei materiali, CDI è stato utilizzato per determinare il primo campo di deformazione 3D e il tensore di deformazione completo all'interno di singoli nanocristalli con risoluzione su scala nanometrica, una chiave per comprendere e gestire la tensione, fondamentale per progettare e realizzare nanomateriali come quelli utilizzati nell'elettronica ad alta velocità. CDI ha anche reso possibile la prima rappresentazione 3D di cristalli minerali all'interno delle ossa su scala nanometrica, dando una comprensione molto più ampia della struttura molecolare dell'osso.
Nelle batterie agli ioni di litio, quando il materiale dell'elettrodo immagazzina carica elettrica, il materiale subisce una transizione di fase che riduce la durata della batteria. Con CDI, gli scienziati possono capire meglio come le batterie agli ioni di litio possono essere realizzate per immagazzinare più energia e durare più a lungo senza rompersi.
