Microscopen maken het onzichtbare zichtbaar. En vergeleken met conventionele lichtmicroscopen, transmissie-röntgenmicroscopen (TXM) kunnen in monsters kijken met een veel hogere resolutie, buitengewone details onthullen. Onderzoekers in een breed scala van wetenschappelijke gebieden gebruiken TXM om de structurele en chemische samenstelling van hun monsters te zien - alles van biologische cellen tot materialen voor energieopslag.

Nutsvoorzieningen, wetenschappers van de National Synchrotron Light Source II (NSLS-II) - een Office of Science User Facility van het Amerikaanse Department of Energy (DOE) in het Brookhaven National Laboratory van DOE - hebben een TXM ontwikkeld die monsters 10 keer sneller kan afbeelden dan voorheen mogelijk was. Hun onderzoek is gepubliceerd in Technische Natuurkunde Brieven .

"We hebben de snelheid van röntgenmicroscopie-experimenten aanzienlijk verbeterd, " zei Wah-Keat Lee, hoofdwetenschapper bij NSLS-II's Full Field X-ray Imaging (FXI) bundellijn, waar de microscoop is gebouwd. Bij FXI, Lee en zijn collega's hebben de tijd die een TXM nodig heeft om samples in 3D af te beelden teruggebracht van meer dan 10 minuten tot slechts één minuut, terwijl nog steeds beelden worden geproduceerd met een uitzonderlijke 3D-resolutie - minder dan 50 nanometer, of 50 miljardsten van een meter. "Deze doorbraak stelt wetenschappers in staat hun monsters veel sneller te visualiseren bij FXI dan bij vergelijkbare instrumenten over de hele wereld, "zei Leen.

Afgezien van het verkorten van de tijd die nodig is om een ​​experiment te voltooien, een snellere TXM kan waardevollere gegevens uit monsters verzamelen.

"De heilige graal van bijna alle beeldvormingstechnieken is om een ​​monster in 3D en in realtime te kunnen zien, " zei Lee. "De snelheid van deze experimenten is relevant omdat we veranderingen willen zien die snel plaatsvinden. Er zijn veel structurele en chemische veranderingen die plaatsvinden op verschillende tijdschalen, dus een sneller instrument kan veel meer zien. Bijvoorbeeld, we hebben de mogelijkheid om te volgen hoe corrosie plaatsvindt in een materiaal, of hoe goed verschillende onderdelen van een batterij presteren."

Om deze mogelijkheden bij FXI aan te bieden, het team moest een TXM bouwen met behulp van de nieuwste ontwikkelingen in ultrasnelle nano-positionering (een methode om een ​​monster te verplaatsen en trillingen te beperken), sensing (een methode om monsterbeweging te volgen), en controle. De nieuwe microscoop is in eigen huis ontwikkeld in Brookhaven Lab door een samenwerking tussen de ingenieurs, beamline personeel, en onderzoeks- en ontwikkelingsteams bij NSLS-II.

De onderzoekers zeiden dat het ontwikkelen van supersnelle mogelijkheden bij FXI ook sterk afhing van het geavanceerde ontwerp van NSLS-II.

"Ons vermogen om FXI meer dan 10 keer sneller te maken dan enig ander instrument ter wereld is ook te danken aan de krachtige röntgenbron bij NSLS-II, ' zei Lee. 'Bij NSLS-II, we hebben apparaten die dempende wigglers worden genoemd, die worden gebruikt om de zeer kleine elektronenbundels voor de faciliteit te bereiken. Gelukkig voor ons, deze apparaten produceren ook een zeer groot aantal röntgenstralen. De hoeveelheid van deze krachtige röntgenstralen houdt rechtstreeks verband met de snelheid van onze experimenten."

Door gebruik te maken van de nieuwe mogelijkheden bij FXI, de onderzoekers beeldden de groei van zilveren dendrieten af ​​op een stukje koper. In één minuut, de bundellijn legde 1060 2-D-beelden van het monster vast en reconstrueerde ze om een ​​3-D-momentopname van de reactie te vormen. Dit herhalen, konden de onderzoekers van minuut tot minuut een 3D-animatie van de chemische reactie.

"We hebben ervoor gekozen om deze reactie in beeld te brengen omdat het de kracht van FXI laat zien, " zei Mingyuan Ge, hoofdauteur van het onderzoek en een wetenschapper bij NSLS-II. "De reactie is bekend, maar het is nog nooit in 3D gevisualiseerd met zo'n snelle acquisitietijd. In aanvulling, onze ruimtelijke resolutie is 30 tot 50 keer fijner dan optische microscopie die in het verleden werd gebruikt."

Met de afronding van dit onderzoek, FXI is begonnen met zijn algemene gebruikersactiviteiten, verwelkomen onderzoekers van over de hele wereld om de geavanceerde mogelijkheden van de beamline te gebruiken.