(Phys.org) -- Een nieuwe röntgenmicroscoop onderzoekt de innerlijke fijne kneepjes van materialen die kleiner zijn dan menselijke cellen en creëert ongeëvenaarde 3D-beelden met hoge resolutie. Door unieke automatische kalibraties te integreren, wetenschappers van het Brookhaven National Laboratory van het Amerikaanse ministerie van Energie zijn in staat om duizenden beelden vast te leggen en te combineren met een grotere snelheid en precisie dan welke andere microscoop dan ook. De directe observatie van structuren die 25 nanometer omspannen, zal fundamentele vooruitgang bieden op veel gebieden, inclusief energieonderzoek, Milieuwetenschappen, biologie, en landsverdediging.

Deze innovatieve full field transmissie röntgenmicroscoop (TXM), gefinancierd door de American Reinvestment and Recovery Act, werd ontwikkeld en in gebruik genomen bij Brookhaven Lab's National Synchrotron Light Source (NSLS), die de röntgenbron levert die nodig is om beelden op nanoschaal vast te leggen. Een nieuw artikel gepubliceerd in de Applied Physics Letters van april 2012 beschrijft het experimentele succes van een baanbrekend systeem dat snel 2D-beelden combineert die vanuit elke hoek zijn genomen om digitale 3D-constructies te vormen.

"We kunnen de interne 3D-structuur van materialen op nanoschaal zien, ” zei Brookhaven-natuurkundige Jun Wang, hoofdauteur van de paper en hoofd van het team dat deze TXM voor het eerst voorstelde. “Het apparaat werkt prachtig, en het overwint een aantal belangrijke obstakels voor röntgenmicroscopen. We zijn verheugd om te zien hoe deze technologie onderzoek zal stimuleren.”

Een extra dimensie bouwen

Wang's team onderzocht, bijvoorbeeld, een elektrode van 20 micrometer uit een lithium-ionbatterij – zo dun als een mensenhaar. De interne interactie van poriën en deeltjes bepaalt de energieprestaties van de batterij, en het onderzoeken van die activiteit vereist nauwkeurige kennis van de structuur op nanoschaal.

Wang's team nam er 1, 441 2D-foto's van de elektrode als een machine roteerden het kleine materiaalmonster om elke mogelijke hoek vast te leggen. De uitdaging wordt dan om die afzonderlijke beelden om te zetten in één enkele 3D-structuur – een structuur waarin elke nanometer een verschil maakt. Op deze schaal, de gebruikelijke schommelingen van één micron zijn qua schaal vergelijkbaar met het maken van een portret en het onderwerp een paar meter naar elke kant laten springen.

Voordat dit nieuwe systeem wetenschappers moesten elk afzonderlijk beeld handmatig uitlijnen of software gebruiken om de verschuivingen langzaam te interpreteren. Dit had twee belangrijke beperkende effecten op het proces:ten eerste, het monster moet scherpe interne kenmerken hebben of gemarkeerd zijn om richtlijnen te geven, die materiaalsoorten kunnen beperken; en ten tweede, handmatige uitlijning vergt zoveel tijd dat het totale aantal beelden in de honderden piekt. Brookhaven's TXM brengt daar verandering in.

Voor de eerste keer, het monster is bovenop een platform gemonteerd met drie sensoren die nanometerverschuivingen in elke richting meten terwijl de batterij draait en de microscoop foto's maakt. De computer die de beelden opneemt, na kalibratie met een gouden bol, compenseert vervolgens automatisch eventuele verschuivingen en assembleert de afbeeldingen nauwkeurig tot de uiteindelijke driedimensionale constructie. Het hele proces duurt slechts vier uur, en dat is meer te danken aan de röntgenstralen die beschikbaar zijn bij NSLS dan aan de microscoop of computer.

De toekomst van 3D

Brookhaven's National Synchrotron Light Source II (NSLS-II), gepland om online te komen in 2015, zal de mogelijkheden van deze TXM op een nog radicalere schaal benutten. In beeld brengen dat de lithium-ionbatterij er 10 kostte, 000 seconden op NSLS, maar met de hogere bundelflux van de nieuwe lichtbron, of röntgenhelderheid, het wordt 1, 000 keer sneller, die tijd terugbrengen tot slechts 10 seconden.

Naast directe structurele observatie, de TXM zal ook het elementaire en chemische begrip van materialen vergroten. Constante vergroting behouden tijdens spectroscopische beeldvorming, die de unieke manieren onderzoekt waarop materie interageert met straling, wetenschappers zullen de individuele chemische configuraties in monsters kunnen identificeren. Momenteel wordt er door het team van Wang onderzoek gedaan om dit vermogen aan te tonen.

Nano-imaging voor industrie en nationale veiligheid

De TXM is aangekocht met steun van de American Recovery and Reinvestment Act, bedoeld om de economische activiteit te stimuleren en banen te creëren. Xradia, een in Californië gevestigd bedrijf dat gespecialiseerd is in 3D-röntgenmicroscopie, het nieuwe apparaat gebouwd. Natuurkundigen van Brookhaven Lab werkten nauw samen met Xradia-ingenieurs, hun specifieke onderzoeksdoelen en prestatiebehoeften toe te lichten.

“Dit is een zeer succesvolle samenwerking geweest, en Xradia was onze kritische partner in dit project, ’ zei Wang. “We hebben nog steeds regelmatig contact om hen feedback te geven over de prestaties van de microscoop, zodat toekomstige ontwerpinnovaties kunnen worden gemaakt.”

Hoewel de focus voor de nieuwe TXM waarschijnlijk zal liggen op alternatieve energiebrandstoffen en opslagoplossingen, de fundamentele inzichten zijn al toegepast op wortelstructuren van planten, katalysatoren, en geavanceerde elektronica. Het bewezen succes van het 3D-beeldvormingssysteem heeft al de interesse gewekt van commerciële gebruikers, met grote bedrijven zoals UOP en IBM plannen tijd op de TXM. Het Defense Advanced Research Projects Agency (DARPA) is ook van plan de nieuwe microscoop te gebruiken om de ingewikkelde structuren van geïmporteerde microchips te onderzoeken in het belang van de nationale veiligheid.