Wetenschappers van het Brookhaven National Laboratory van het Amerikaanse Department of Energy (DOE) hebben een nieuwe benadering ontwikkeld voor 3D-röntgenbeeldvorming waarmee omvangrijke materialen tot in detail kunnen worden gevisualiseerd - een onmogelijke taak met conventionele beeldvormingsmethoden. De nieuwe techniek kan wetenschappers helpen bij het ontsluiten van aanwijzingen over de structurele informatie van talloze materialen, van batterijen tot biologische systemen.

De wetenschappers ontwikkelden hun aanpak bij Brookhaven's National Synchrotron Light Source II (NSLS-II) - een DOE Office of Science User Facility waar wetenschappers ultraheldere röntgenstralen gebruiken om details op nanoschaal te onthullen. Het team bevindt zich op de bundellijn van de Hard X-ray Nanoprobe (HXN) van NSLS-II, een experimenteel station dat geavanceerde lenzen gebruikt om een ​​toonaangevende resolutie te bieden, helemaal tot 10 nanometer - ongeveer een tienduizendste van de diameter van een mensenhaar.

HXN produceert beelden met een opmerkelijk hoge resolutie die wetenschappers een uitgebreid beeld kunnen geven van verschillende materiaaleigenschappen in 2D en 3D. De bundellijn heeft ook een unieke combinatie van in situ en operando-mogelijkheden - methoden voor het bestuderen van materialen in reële bedrijfsomstandigheden. Echter, wetenschappers die röntgenmicroscopen gebruiken, zijn beperkt door de grootte en dikte van de materialen die ze kunnen bestuderen.

"De gemeenschap van röntgenfoto's staat nog steeds voor grote uitdagingen bij het volledig benutten van het potentieel van bundellijnen zoals HXN, speciaal voor het verkrijgen van details met een hoge resolutie van dikke monsters, " zei Yong Chu, lead beamline scientist bij HXN. "Kwaliteit verkrijgen, afbeeldingen met een hoge resolutie kunnen een uitdaging worden als een materiaal dik is, dat wil zeggen, dikker dan de scherptediepte van de röntgenoptiek."

Nutsvoorzieningen, wetenschappers van HXN hebben een efficiënte benadering ontwikkeld voor het bestuderen van dikke monsters zonder de uitstekende resolutie die HXN biedt op te offeren. Ze beschrijven hun aanpak in een paper gepubliceerd in het tijdschrift optiek .

"Het uiteindelijke doel van ons onderzoek is om de technische barrière te doorbreken die wordt opgelegd aan de dikte van het monster en een nieuwe manier te ontwikkelen om 3D-beeldvorming uit te voeren - een waarbij wiskundig door het monster wordt gesneden, " zei Xiaojing Huang, een wetenschapper bij HXN en een co-auteur van het artikel.

De conventionele methode voor het verkrijgen van een 3D-beeld omvat het verzamelen en combineren van een reeks 2D-beelden. Om deze 2D-beelden te verkrijgen, de wetenschappers draaien het monster meestal 180 graden; echter, grote monsters kunnen niet gemakkelijk roteren binnen de beperkte ruimte van typische röntgenmicroscopen. Deze beperking, naast de uitdaging van het afbeelden van dikke monsters, maakt het bijna onmogelijk om een ​​3D-beeld met hoge resolutie te reconstrueren.

"In plaats van een reeks 2D-projecties te verzamelen door het monster te roteren, we 'snijden' het dikke materiaal eenvoudig in een reeks dunne lagen, " zei hoofdauteur Hande Öztürk. "Dit snijproces wordt wiskundig uitgevoerd zonder het monster fysiek te wijzigen."

Hun techniek profiteert van de speciale optica van HXN, genaamd Multilayer Laue-lenzen (MLL's), die zijn ontworpen om röntgenstralen in een klein punt te concentreren. Deze lenzen creëren gunstige omstandigheden voor het bestuderen van dunnere plakken van dik materiaal, terwijl ook de meettijd wordt verkort.

"HXN's unieke MLL's hebben een hoge focusefficiëntie, zodat we veel minder tijd kunnen besteden aan het verzamelen van het signaal dat we nodig hebben, " zei Hanfei Yan, een wetenschapper bij HXN en een co-auteur van het artikel.

Door de MLL-optiek en de multi-slice-benadering te combineren, de HXN-wetenschappers waren in staat om twee lagen nanodeeltjes te visualiseren die slechts 10 micron van elkaar waren gescheiden - ongeveer een tiende van de diameter van een mensenhaar - en met een resolutie die 100 keer kleiner was. Aanvullend, de methode verkortte aanzienlijk de tijd die nodig is om een ​​enkel beeld te verkrijgen.

"Deze ontwikkeling biedt een geweldige kans om 3D-beeldvorming uit te voeren op monsters die met conventionele methoden erg moeilijk te fotograferen zijn, bijvoorbeeld een batterij met een ingewikkelde elektrochemische cel, " zei Chu. Hij voegde eraan toe dat deze benadering zeer nuttig zou kunnen zijn voor een breed scala aan toekomstige onderzoekstoepassingen.