Wetenschappers van DESY hebben nieuwe lenzen ontwikkeld die röntgenmicroscopie mogelijk maken met een recordresolutie in het nanometerregime. Door gebruik te maken van nieuwe materialen, het onderzoeksteam onder leiding van DESY-wetenschapper Sasa Bajt van het Center for Free-Electron Laser Science (CFEL) heeft het ontwerp van gespecialiseerde röntgenoptiek geperfectioneerd en een focusvlekgrootte bereikt met een diameter van minder dan tien nanometer. Een nanometer is een miljoenste van een millimeter en is kleiner dan de meeste virusdeeltjes. De onderzoekers rapporteren hun werk in het tijdschrift Licht:wetenschap en toepassingen . Ze gebruikten met succes hun lenzen om monsters van marien plankton in beeld te brengen.

Moderne deeltjesversnellers zorgen voor ultraheldere en hoogwaardige röntgenstralen. De korte golflengte en het doordringende karakter van röntgenstralen zijn ideaal voor het microscopisch onderzoek van complexe materialen. Echter, het volledig benutten van deze eigenschappen vereist zeer efficiënte en bijna perfecte optica in het röntgenregime. Ondanks uitgebreide inspanningen wereldwijd bleek dit lastiger dan verwacht, en het is nog steeds een grote uitdaging om een ​​röntgenmicroscoop te realiseren die kenmerken kleiner dan tien nanometer kan oplossen.

Vanwege hun unieke eigenschappen kunnen röntgenstralen niet zo gemakkelijk worden gefocusseerd als zichtbaar licht. Een manier is om gespecialiseerde röntgenoptica te gebruiken die meerlaagse Laue-lenzen (MLL's) worden genoemd. Deze lenzen bestaan ​​uit afwisselende lagen van twee verschillende materialen met een dikte van nanometer. Ze worden bereid met een coatingproces dat sputterdepositie wordt genoemd. In tegenstelling tot conventionele optica, MLL's breken geen licht, maar werken door de invallende röntgenstralen te buigen op een manier die de bundel op een kleine plek concentreert. Om dit te behalen, de laagdikte van de materialen moet nauwkeurig worden gecontroleerd. De lagen moeten geleidelijk in dikte en oriëntatie door de lens veranderen. De focusgrootte is evenredig met de kleinste laagdikte in de MLL-structuur.

Om aan de vereiste precisie te voldoen, Het team van Bajt combineerde een nieuw fabricageproces met gedetailleerd begrip van de materiaaleigenschappen, die vaak variëren met de laagdikte. De nieuwe lenzen bestaan ​​uit meer dan 10 000 afwisselende lagen van een nieuwe materiaalcombinatie, wolfraamcarbide en siliciumcarbide. "De selectie van het juiste materiaalpaar was cruciaal voor het succes, " benadrukt Bajt. "Het sluit andere materiaalcombinaties niet uit, maar het is absoluut de beste die we nu kennen."

Om een ​​röntgenstraal in verticale en horizontale richting te focusseren, moet deze door twee loodrecht georiënteerde lenzen gaan. Door deze opstelling te gebruiken, een spotgrootte van 8,4 nanometer bij 6,8 nanometer werd gemeten in het Hard X-ray Nanoprobe-experimenteel station bij de National Synchrotron Light Source NSLS II in het Brookhaven National Laboratory in de VS. De focusgrootte bepaalt de resolutie van de röntgenmicroscoop. De resolutie van de nieuwe lenzen is ongeveer vijf keer beter dan haalbaar is met typische state-of-the-art lenzen.

"We produceerden 's werelds kleinste röntgenfocus met behulp van zeer efficiënte lenzen, " zegt Bajt. Door hun indringende karakter, Röntgenstralen zouden meestal recht door de lensmaterialen gaan. Dergelijke stralen dragen duidelijk niet bij aan de focus, en dus was een langetermijndoel het produceren van lensstructuren die de interactie met röntgenstralen verbeteren, om een ​​hoge fractie in de focus te richten. De nieuwe lenzen hebben een efficiëntie van meer dan 80 procent. Deze hoge efficiëntie wordt bereikt met de gelaagde structuren waaruit de lens bestaat en die werken als een kunstmatig kristal om röntgenstralen op een gecontroleerde manier te buigen.

Het hoge rendement dat hier wordt bereikt, toont de zeer hoge mate van controle bij de productie van de noodzakelijke nanometerstructuren. Deze nauwkeurigheid maakt projectiebeeldvorming over een groot bereik van vergrotingen mogelijk, zoals aangetoond door tests van de nieuwe lenzen. Bij bundellijn P11 van DESY's röntgenbron PETRA III produceerden de wetenschappers hologrammen met hoge resolutie van Acantharea, eencellige Radiolaria behorend tot marien plankton en de enige organismen waarvan bekend is dat ze skeletten vormen uit het mineraal strontiumsulfaat (SrSO4) of celestiet.

Het team van Bajt heeft de nieuwe lenzen ook gebruikt om de biogemineraliseerde schelpen van mariene planktonische diatomeeën in beeld te brengen. Deze eencellige organismen hebben ingewikkelde schelpen, die zeer complexe stabiele maar ook lichtgewicht constructies zijn. Ze bestaan ​​uit nanogestructureerde silica, die eerder werd waargenomen in tweedimensionale analyses met elektronenmicroscopen. Waarschijnlijk door deze structurering, de sterkte van het silica is uitzonderlijk hoog - tien keer hoger dan die van constructiestaal - hoewel het wordt geproduceerd onder lage temperatuur- en drukomstandigheden.

"We hopen dat de nieuwe röntgenoptica het binnenkort mogelijk zal maken om deze nanostructuren in 3D af te beelden. Dit zal ons in staat stellen om de hoge mechanische prestaties van deze schelpen te modelleren en te begrijpen en ons te helpen nieuwe, milieuvriendelijke en hoogwaardige materialen, " zegt Christian Hamm van het Alfred Wegener Instituut, Helmholtz Centrum voor Polair en Marien Onderzoek (AWI), die de monsters heeft verstrekt en co-auteur is van deze studie.

De nieuwe lenzen kunnen worden gebruikt in een breed scala aan toepassingen, waaronder beeldvorming met nanoresolutie en spectroscopie. "Deze MLL's openen nieuwe en opwindende mogelijkheden in de röntgenwetenschap. Ze kunnen worden ontworpen voor verschillende energieën en worden gebruikt met coherente bronnen, zoals röntgenvrije-elektronenlasers, " zegt Bajt. "Deze geweldige prestatie zou niet mogelijk zijn geweest zonder een geweldig team met expertise in röntgenoptica en theorie, nanofabricage, materiaal wetenschap, gegevensverwerking en instrumentatie. Omdat we nu weten hoe we het lensontwerp kunnen optimaliseren, ons werk effent de weg om uiteindelijk het doel van één nanometer resolutie in röntgenmicroscopie te bereiken."