Het vermogen om de eigenschappen van materialen te diagnosticeren en te voorspellen is van vitaal belang, vooral op het groeiende gebied van nanotechnologie. Met elektronen- en atoomsondemicroscopie kunnen atomen worden gecategoriseerd in dunne vellen materiaal, en in kleine gebieden met dikkere monsters, maar het is veel moeilijker gebleken om de bestanddelen van nanostructuren in grote, dikke voorwerpen. Röntgenstralen - het meest gebruikte beeldvormingsinstrument voor harde biologische materialen zoals botten - hebben een beperkte brandpuntsafstand, zodat ze zich niet kunnen concentreren op objecten op nanoschaal.

Nutsvoorzieningen, Yukio Takahashi en collega's van de Universiteit van Osaka, samen met onderzoekers van Nagoya University en het RIKEN SPring-8 centrum in Hyogo, zijn er voor het eerst in geslaagd om op grote schaal tweedimensionale afbeeldingen te maken van nanostructuren ingekapseld in dikke materialen. Hun werk was mogelijk omdat ze een nieuw röntgendiffractiemicroscopiesysteem ontwierpen waarvoor geen lens nodig is.

"De belangrijkste uitdagingen in dit werk waren het realiseren van röntgendiffractiemicroscopie met een hoge resolutie en een groot gezichtsveld, breid het dan uit tot elementspecifieke beeldvorming, ', legt Takahashi uit. "We hebben dit bereikt door een scantechniek voor röntgendiffractie-beeldvorming in te voeren, genaamd x-ray ptychography."

Ptychografie omvat het nemen van afbeeldingen van een object die elkaar overlappen op een reeks samenvallende roosterpunten. De onderzoekers combineerden deze techniek met röntgenstralen, en omvatte een systeem om te compenseren voor het afdrijven van optica tijdens beeldvorming. Takahashi en zijn collega's focusten de röntgenstralen met behulp van zogenaamde 'Kirkpatrick-Baez-spiegels' waarmee ze hoogwaardige diffractiegegevens konden verzamelen.

Hun systeem bewaakt de veranderingen in de diffractie van röntgenstralen bij twee verschillende energieën. De mate van faseverschil tussen de twee röntgenstralingsenergieën verandert significant aan de absorptierand van het doelelement. Dit heeft te maken met het atoomnummer van het element, wat betekent dat de elementen die in het materiaal aanwezig zijn, kunnen worden geïdentificeerd. Om te controleren of hun systeem werkt, de onderzoekers deponeerden goud/zilver nanodeeltjes van ongeveer 200 nanometer groot op een siliciumnitridemembraan, en produceerde hoge resolutie en grootschalige beelden van de deeltjes. De resoluties waren beter dan 10 nanometer (Fig. 1).

"Een van de praktische toepassingen [van deze techniek] in de toekomst is de mogelijke observatie van cellen, ', legt Takahashi uit. "De vorm van een hele cel en de ruimtelijke verdeling van [zijn] organellen zouden driedimensionaal kunnen worden gevisualiseerd met een resolutie van 10 nanometer - om belangrijke inzichten te verschaffen in de organisatie in cellen. We hopen dat deze techniek in de toekomst wordt gebruikt in de biologische en materiaalwetenschap."