Het is al lang een waarheid:als je de beweging en het gedrag van afzonderlijke atomen wilt bestuderen, elektronenmicroscopie kan je geven wat röntgenstraling niet kan. Röntgenstralen zijn goed in het doordringen in monsters - ze laten je zien wat er in batterijen gebeurt terwijl ze worden opgeladen en ontladen, bijvoorbeeld - maar historisch gezien zijn ze niet in staat geweest om ruimtelijk af te beelden met dezelfde precisie die elektronen kunnen.

Maar wetenschappers werken aan het verbeteren van de beeldresolutie van röntgentechnieken. Een dergelijke methode is röntgentomografie, die niet-invasieve beeldvorming van de binnenkant van materialen mogelijk maakt. Als je de fijne kneepjes van een microschakeling in kaart wilt brengen, bijvoorbeeld, of de neuronen in een brein traceren zonder het materiaal waar je naar kijkt te vernietigen, je hebt röntgentomografie nodig, en hoe beter de resolutie, hoe kleiner de verschijnselen die je met de röntgenbundel kunt traceren.

Daartoe, een groep wetenschappers onder leiding van het Argonne National Laboratory van het Amerikaanse Department of Energy (DOE) heeft een nieuwe methode ontwikkeld om de resolutie van nanotomografie met harde röntgenstralen te verbeteren. (Nanotomografie is röntgenbeeldvorming op de schaal van nanometers. Ter vergelijking:een gemiddeld mensenhaar is 100, 000 nanometer breed.) Het team bouwde een röntgenmicroscoop met hoge resolutie met behulp van de krachtige röntgenstralen van de Advanced Photon Source (APS) en creëerde nieuwe computeralgoritmen om problemen op kleine schaal te compenseren. Met behulp van deze methode, het team bereikte een resolutie van minder dan 10 nanometer.

"We willen op 10 nanometer of beter zitten, " zei Michael Wojcik, een fysicus in de opticagroep van Argonne's X-ray Science Division (XSD). "We hebben dit ontwikkeld voor nanotomografie omdat we 3D-informatie in het bereik van 10 nanometer sneller kunnen verkrijgen dan andere methoden, maar de optica en het algoritme zijn ook toepasbaar op andere röntgentechnieken."

Met behulp van de interne transmissieröntgenmicroscoop (TXM) op bundellijn 32-ID van de APS - inclusief speciale lenzen gemaakt door Wojcik in het Center for Nanoscale Materials (CNM) - was het team in staat om de unieke kenmerken van X- stralen en in ongeveer een uur 3D-beelden met een hoge resolutie bereiken. Maar zelfs die beelden hadden niet helemaal de gewenste resolutie, dus bedacht het team een ​​nieuwe computergestuurde techniek om ze verder te verbeteren.

De belangrijkste problemen die het team probeerde te corrigeren, zijn monsterafwijking en vervorming. Op deze kleine schaal als het monster binnen de straal beweegt, zelfs met een paar nanometer, of als de röntgenstraal zelfs de kleinste verandering in het monster zelf veroorzaakt, het resultaat zijn bewegingsartefacten op het 3D-beeld van het monster. Dit kan een latere analyse veel moeilijker maken.

Een monsterafwijking kan op die kleine schaal door van alles worden veroorzaakt, inclusief temperatuurveranderingen. Om tomografie uit te voeren, de monsters moeten ook heel precies binnen de straal worden geroteerd, en dat kan leiden tot bewegingsfouten die eruitzien als monsterafwijkingen in de gegevens. Het nieuwe algoritme van het Argonne-team werkt om deze problemen op te lossen. wat resulteert in een helderder en scherper 3D-beeld.

"We hebben een algoritme ontwikkeld dat de drift en vervorming compenseert, " zei Viktor Nikitin, onderzoeksmedewerker in XSD bij Argonne. "Bij het toepassen van standaard 3D-reconstructiemethoden, we bereikten een resolutie in het bereik van 16 nanometer, maar met het algoritme hebben we het teruggebracht tot 10 nanometer."

Het onderzoeksteam testte hun apparatuur en techniek op verschillende manieren. Eerst maakten ze 2D- en 3D-beelden van een klein plaatje met 16 nanometer brede kenmerken, vervaardigd 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 structuur van de plaat in beeld te brengen. Ze testten het vervolgens op een echt elektrochemisch energieopslagapparaat, de röntgenstralen gebruiken om naar binnen te kijken en beelden met een hoge resolutie vast te leggen.

Vincent de Andrade, een beamline-wetenschapper bij Argonne ten tijde van dit onderzoek, is de hoofdauteur van het papier. "Hoewel deze resultaten uitstekend zijn, " hij zei, "er is nog veel ruimte voor deze nieuwe techniek om beter te worden."

De mogelijkheden van dit instrument en deze techniek zullen verbeteren met een voortdurende onderzoeks- en ontwikkelingsinspanning op het gebied van optica en detectoren, en zullen profiteren van de lopende upgrade van het APS. Wanneer voltooid, de verbeterde faciliteit zal röntgenstralen met hoge energie genereren die tot 500 keer helderder zijn dan momenteel mogelijk is, en verdere vooruitgang in röntgenoptica zal nog smallere bundels met een hogere resolutie mogelijk maken.

"Na de upgrade, we zullen aandringen op acht nanometer en lager, " zei Nikitin. "We hopen dat dit een krachtig hulpmiddel zal zijn voor onderzoek op kleinere en kleinere schaal."

Het onderzoek van het team is gepubliceerd in Geavanceerde materialen .