Iedereen reageert anders onder stress, zelfs de relatief geordende atomen in een kristal. Als wetenschappers een duidelijk beeld zouden kunnen krijgen van hoe atomen van atomen verschuiven en samenknijpen onder stress, ze zouden deze eigenschappen kunnen gebruiken om opkomende technologieën te bieden, zoals nano-elektronica en halfgeleidercomponenten van de volgende generatie, met extra snelheid of functionaliteiten. Echter, het creëren van dit beeld vereist nieuwe technieken voor het afbeelden van atomen in materialen en hun gedrag in verschillende omgevingen.

In een recent gezamenlijk onderzoek van het Institut Fresnel, IBM en het Argonne National Laboratory van het Amerikaanse Department of Energy (DOE), wetenschappers ontwikkelden een nieuwe vorm van beeldvorming die gebruik maakt van röntgendiffractiepatronen, genaamd single-angle Bragg ptychografie.

Hoewel Bragg-ptiekografie en vooral röntgendiffractie al een tijdje bestaan, Single-angle Bragg ptychografie zorgt voor eenvoudigere reconstructie van 3D-gegevens over hoe spanning een materiaal beïnvloedt.

Bij röntgendiffractie, de atomen in een materiaal "verstrooien" de binnenkomende röntgenstralen, het produceren van een signaal op een detector. Omdat er zoveel overlappende diffractiegebeurtenissen tegelijkertijd plaatsvinden, het kan moeilijk zijn om de bijdrage van een bepaald klein gebied van het rooster aan het totale signaal te identificeren. Om dit te compenseren, wetenschappers gebruiken een methode genaamd Fourier-analyse, die in wezen het algehele signaal omzet in een reeks golven met pieken en dalen die overeenkomen met de relatieve intensiteiten van verschillende delen van het signaal.

Echter, gewoon gewone röntgendiffractie doen, vertelt maar een deel van het verhaal, zei hoofdauteur en Argonne-materiaalwetenschapper Stephan Hruszkewycz. "Om de spanning in de echte ruimte echt te zien en te begrijpen, je hebt informatie nodig over zowel de intensiteit als de fase, " zei hij. "Wat we nodig hadden was een truc om de ontbrekende fasen van het diffractiepatroon terug te halen."

Fase kan worden begrepen door je voor te stellen dat golven op de kust kabbelen nadat iemand een handvol stenen in een stilstaande vijver gooit. Door de hoogte van de golven aan de kust en hun aankomsttijd te meten, kunt u "de golf achteruit kijken" door de posities en afmetingen van alle rotsen te reconstrueren wanneer ze het water raken. Röntgendetectoren, echter, meet alleen de hoogte van de golven; fasen, d.w.z. wanneer de golf de kust bereikt, moet op een andere manier worden teruggevorderd.

De truc die de auteurs gebruikten komt uit de ptychografie, een techniek die fase-informatie kan herstellen door gebruik te maken van redundante bemonstering uit hetzelfde gebied van het kristal. Door de röntgenstraal slechts een klein beetje te verschuiven, en door maar liefst 60 procent van dezelfde reële ruimte tussen bundelposities af te beelden, het team was in staat om informatie over de fase te extraheren.

"In essentie, doordat veel van dezelfde informatie is gecodeerd in aangrenzende monsters, het beperkt de mogelijke configuraties van het kristal in de echte ruimte, ' zei Hruszkewycz.

De echte vooruitgang, echter, kwam niet uit informatie verzameld door diffractie, maar van de positionering van de balk zelf. Omdat de onderzoekers precies wisten waar de bundel zich bevond en onder welke hoek de atomaire vlakken van het kristal de röntgenstralen zouden verstrooien, ze waren in staat om aanvullende informatie te extraheren over hoe de stam het materiaal in drie dimensies beïnvloedde.

"De meeste diffractietechnieken, waaronder enkele ptychografische, eigenlijk alleen een 2D-weergave geven van de steekproef van belang, "Zei Hruszkewycz. "Deze techniek stelt ook minder eisen aan de instrumenttechnologie dan vergelijkbare technieken voor het genereren van 3D-informatie over materialen."

Een artikel gebaseerd op het onderzoek, "Driedimensionale structurele microscopie met hoge resolutie door Bragg-ptiekografie met één hoek, " verscheen in november in de online editie van Natuurmaterialen .