Let's Get Small:nieuwe argonne-methode verbetert de resolutie van röntgen nanotomografie aanzienlijk

Het is al heel lang een waarheid:als je de beweging en het gedrag van afzonderlijke atomen wilt bestuderen, kan elektronenmicroscopie je geven wat röntgenstraling niet kan. Röntgenstralen zijn goed in het doordringen in monsters - ze laten je bijvoorbeeld zien wat er in batterijen gebeurt terwijl ze worden opgeladen en ontladen - maar historisch gezien zijn ze niet in staat geweest om ruimtelijk beeld te geven met dezelfde precisie als elektronen.

Maar wetenschappers werken aan het verbeteren van de beeldresolutie van röntgentechnieken. Een dergelijke methode is röntgentomografie, waarmee niet-invasieve beeldvorming van de binnenkant van materialen mogelijk is. Als je bijvoorbeeld de fijne kneepjes van een microcircuit in kaart wilt brengen, of de neuronen in een brein wilt traceren zonder het materiaal waar je naar kijkt te vernietigen, heb je röntgentomografie nodig, en hoe beter de resolutie, hoe kleiner de verschijnselen die je kunt traceren met de röntgenstraal.

Daartoe heeft een groep wetenschappers onder leiding van het Argonne National Laboratory van het Amerikaanse Department of Energy (DOE) een nieuwe methode ontwikkeld om de resolutie van nanotomografie met harde röntgenstralen te verbeteren. (Nanotomografie is röntgenbeeldvorming op de schaal van nanometers. Ter vergelijking:een gemiddeld mensenhaar is 100.000 nanometer breed.) Het team bouwde een röntgenmicroscoop met hoge resolutie met behulp van de krachtige röntgenstralen van de Advanced Photon Source ( APS) en creëerde nieuwe computeralgoritmen om problemen op kleine schaal te compenseren. Met deze methode bereikte het team een ​​resolutie van minder dan 10 nanometer. Volgens de onderzoekers zijn deze optica en algoritmen ook toepasbaar op andere röntgentechnieken.

Met behulp van de interne transmissieröntgenmicroscoop (TXM) op bundellijn 32-ID van de APS - inclusief speciale lenzen die zijn gemaakt in het Center for Nanoscale Materials (CNM) - was het team in staat om de unieke kenmerken van röntgenstralen en 3D-beelden met een hoge resolutie in ongeveer een uur bereiken. Maar zelfs die beelden hadden niet helemaal de gewenste resolutie, dus bedacht het team een ​​nieuwe computergestuurde techniek om ze verder te verbeteren.

De belangrijkste problemen die het team probeerde te corrigeren, waren monsterafwijking en vervorming. Op deze kleine schaal, als het monster binnen de straal beweegt, zelfs met een paar nanometer, of als de röntgenstraal zelfs de kleinste verandering in het monster zelf veroorzaakt, zal het resultaat bewegingsartefacten zijn op het 3D-beeld van het monster. Dit kan latere analyse veel moeilijker maken.

Een monsterafwijking kan op die kleine schaal door van alles worden veroorzaakt, inclusief temperatuurveranderingen. Om tomografie uit te voeren, moeten de monsters ook heel precies binnen de bundel worden geroteerd, en dat kan leiden tot bewegingsfouten die lijken op monsterafwijkingen in de gegevens. Het nieuwe algoritme van het Argonne-team werkt om deze problemen te verhelpen, wat resulteert in een helderder en scherper 3D-beeld.

Het team testte hun uitrusting en techniek op verschillende manieren. Eerst maakten ze 2D- en 3D-beelden van een klein plaatje met 16 nanometer brede kenmerken, vervaardigd door Kenan Li, toen van de Northwestern University en nu in het SLAC National Accelerator Laboratory van DOE. Ze waren in staat om kleine defecten in de structuur van de plaat in beeld te brengen. Vervolgens testten ze het op een echt elektrochemisch energieopslagapparaat, waarbij ze de röntgenstralen gebruikten om naar binnen te kijken en beelden met een hoge resolutie vast te leggen. Ze zijn echter van mening dat er nog ruimte is om deze techniek te verbeteren.

De mogelijkheden van dit instrument en deze techniek zullen verbeteren met een voortdurende onderzoeks- en ontwikkelingsinspanning op het gebied van optica en detectoren en zullen profiteren van de lopende upgrade van de APS. Na voltooiing zal de verbeterde faciliteit röntgenstralen met hoge energie genereren die tot 500 keer helderder zijn dan momenteel mogelijk is, en verdere vooruitgang in röntgenoptica zal nog smallere stralen met een hogere resolutie mogelijk maken. Na de upgrade zullen ze streven naar acht nanometer en minder, in de hoop dat dit een krachtig hulpmiddel zal zijn voor onderzoek op kleinere en kleinere schaal.