Argonne Doorbraak: Röntgen Nanotomografie Bereikt Ongeëvenaarde Resolutie

Het is al lang een waarheid: als je de beweging en het gedrag van individuele atomen wilt bestuderen, kan elektronenmicroscopie je geven wat Röntgenstraling niet kan. Röntgenstralen zijn goed in het penetreren in monsters – ze laten je zien wat er binnenin batterijen gebeurt tijdens laden en ontladen, bijvoorbeeld – maar historisch gezien zijn ze niet in staat geweest om ruimtelijk te imageren met dezelfde precisie als elektronen.

Verbetering Röntgen Resolutie

Maar wetenschappers werken aan het verbeteren van de beeldresolutie van Röntgentechnieken. Eén dergelijke methode is Röntgentomografie, die non-invasieve imaging van het binnenste van materialen mogelijk maakt. Als je de complexiteit van een microcircuit wilt karteren, bijvoorbeeld, of de neuronen in een hersenen wilt traceren zonder het materiaal dat je bekijkt te vernietigen, heb je Röntgentomografie nodig, en hoe beter de resolutie, hoe kleinere fenomena je met de Röntgenbundel kunt traceren.

Nieuwe Methode voor Hard X-ray Nanotomografie

Daarvoor heeft een groep wetenschappers geleid door het U.S. Department of Energy's (DOE) Argonne National Laboratory een nieuwe methode gecreëerd voor het verbeteren van de resolutie van harde Röntgen-nanotomografie. (Nanotomografie is Röntgenimaging op de schaal van nanometers. Voor vergelijking, een gemiddeld menselijk haar is 100.000 nanometer breed.) Het team bouwde een hoge-resolutie Röntgenmicroscoop met de krachtige Röntgenbundels van de Advanced Photon Source (APS) en creëerde nieuwe computergoritmen om problemen te compenseren die op kleine schalen voorkomen. Met deze methode bereikte het team een resolutie onder de 10 nanometer. Volgens de onderzoekers zijn deze optica en algoritmen ook toepasbaar op andere Röntgentechnieken.

Correctie voor Sample Drift en Deformatie

Met behulp van de in-house Transmission X-ray Microscope (TXM) bij bundel 32-ID van de APS – inclusief speciale lenzen vervaardigd op het Center for Nanoscale Materials (CNM) – was het team in staat om de unieke kenmerken van Röntgenstralen te benutten en hoge-resolutie 3D-beelden in ongeveer een uur te verkrijgen. Maar zelfs die beelden waren nog niet ganzop de gewenste resolutie, dus het team bedacht een nieuwe computer-gedreven techniek om ze verder te verbeteren.

De hoofduitdagingen die het team wilde corrigeren, waren sample drift en deformatie. Op deze kleine schalen, als het monster binnen de bundel beweegt, zelfs door een paar nanometer, of als de Röntgenbundel zelfs de minste 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 sample drift kan veroorzaakt worden door allerlei dingen op die kleine schaal, inclusief temperatuurveranderingen. Om tomografie uit te voeren, moeten de monsters ook heel precies binnen de bundel geroteerd worden, en dat kan bewegingsfouten leiden die eruitzien als sample drifts in de data. Het nieuwe algoritme van het Argonne-team werkt deze problemen weg, wat resulteert in een helderder en scherper 3D-beeld.

Tests en Toekomstperspectieven

Het team testte hun apparatuur en techniek op verschillende manieren. Eerst captureerden ze 2D- en 3D-beelden van een minuscule plaat met 16-nanometer-brede kenmerken gefabriceerd door Kenan Li, toen van Northwestern University en nu bij DOE's SLAC National Accelerator Laboratory. Ze waren in staat om kleine defecten in de plaatstructuur te imageren. Ze testten het vervolgens op een echt electrochemisch energie-opslagapparaat, gebruikmakend van de Röntgenstralen om naar binnen te kijken en hoge-resolutie beelden vast te leggen. Echter, ze voelen dat er nog ruimte is voor deze techniek om te verbeteren.

De capaciteiten van dit instrument en techniek zullen verbeteren met een voortgaand onderzoek- en ontwikkelingsinspanning op optica en detectoren en zullen profiteren van de in uitvoering zijnde upgrade van de APS. Wanneer voltooid, zal de geüpgrade faciliteit hoge-energie Röntgenbundels genereren die tot 500 keer helderder zijn dan momenteel mogelijk, en verdere vooruitgang in Röntgenoptica zal nog smalle bundels met hogere resolutie mogelijk maken. Na de upgrade zullen ze pushen voor acht nanometer en lager, hopend dat dit een krachtig hulpmiddel zal zijn voor onderzoek op steeds kleinere schalen.