Met tomografie kan het interieur van een breed scala aan objecten in 3D worden weergegeven - van cellulaire structuren tot technische apparaten. Onderzoekers van het Paul Scherrer Institut (PSI) hebben nu een methode ontwikkeld die nieuwe schalen van tomografische beeldvorming opent en zo de gedetailleerde studie van representatieve volumes van biologische weefsel- en materiaalwetenschappelijke specimens in de toekomst mogelijk zal maken. Tot nu, de relevante details op een schaal van enkele nanometers waren alleen zichtbaar bij methoden waarvoor zeer dunne monsters nodig waren.

Met behulp van een speciaal prototype-opstelling bij de Zwitserse lichtbron (SLS) van de PSI hebben de onderzoekers nu een 3D-resolutie van zestien nanometer bereikt op een nanoporeus glazen testmonster, een prestatie die ongeëvenaard is voor röntgentomografie. De meting is niet-destructief, het maakt het dus mogelijk om kleine details in de context van hun omgeving te bestuderen of om grotere monstervolumes te analyseren op zo'n manier dat de verkregen informatie minder wordt beïnvloed door lokaal geïnduceerde varianties. De resolutie van 16 nm werd bereikt op een prototype van het OMNY-instrument, die nog in aanbouw is. Met de definitieve versie kunnen de onderzoekers het monster tijdens het experiment afkoelen om schade aan het monster door röntgenstraling te voorkomen.

In het dagelijkse leven, we kennen röntgenbeeldvorming meestal als een medische procedure waarmee artsen in het menselijk lichaam kunnen kijken zonder de patiënt te schaden. Vandaag de dag, echter, verschillende beeldvormende methoden spelen een rol in een breed scala van onderzoeksgebieden, waar ze driedimensionale beeldvorming mogelijk maken voor een breed scala aan toepassingen, variërend van biologisch weefsel, technische apparaten zoals katalysatoren, fossielen tot antieke kunstwerken. Onderzoekers van het Paul Scherrer Institut hebben nu een instrument ontwikkeld dat röntgentomografie mogelijk maakt met een ongekende 3D-resolutie. Het is gespecialiseerd voor studies waarbij onderzoekers geïnteresseerd zijn in details die enkele nanometers groot zijn, zoals de fijne structuren van celcomponenten of moderne katalysatoren en batterijen. Tot nu, zulke fijne details konden alleen zichtbaar worden gemaakt met behulp van elektronenmicroscopen, die de binnenkant van de bestudeerde monsters niet kunnen weergeven, tenzij ultradunne monsters of coupes worden gebruikt. Bijgevolg, de preparatie- of meetmethode kan schade toebrengen aan de betreffende structuren. Bovendien, het was moeilijk om de structuren inclusief hun werkelijke omgeving weer te geven. Voor dikke monsters, harde röntgentomografie was beperkt tot een resolutie van ongeveer 150 nanometer.

Voor vele jaren, Röntgentomografie is uitgevoerd bij verschillende synchrotron-lichtbronnen, zoals de Zwitserse lichtbron op de PSI. Bij deze vorm van beeldvorming wordt het object vanuit verschillende richtingen met röntgenlicht zodanig gescreend dat er telkens een fluoroscopisch beeld – een zogenaamde röntgenfoto – wordt gegenereerd, net als een medische X-ray CT-scan. Met behulp van speciale computersoftware combineren onderzoekers deze beelden tot een driedimensionaal beeld, waarbij de materiaalverdeling in drie dimensies zichtbaar is.

Hoge resolutie dankzij alternatieve beeldvormingsmethode

Onderzoekers van het PSI hebben nu gekozen voor een alternatieve aanpak om tot een aanzienlijk hogere resolutie te komen. Het eenvoudig maken van een röntgenfoto als een fluoroscopisch beeld beperkt de resolutie die kan worden bereikt. Daarom, de hier gepresenteerde methode, ptychografische beeldvorming (voor het eerst gedemonstreerd in zijn moderne vorm met röntgenstralen op de PSI in 2010), maakt gebruik van het feit dat röntgenlicht niet alleen wordt verzwakt op zijn weg door het bestudeerde monster, maar ook gedeeltelijk verspreid. Door precies te meten in welke richtingen hoeveel en ook hoe weinig licht wordt verstrooid, de structuren van het monster kunnen worden afgeleid. Om een ​​enkel verstrooiingspatroon te meten, de onderzoekers belichten slechts een klein deel van het monster en herhalen de meting op verschillende punten van het monster totdat het hele monster is gescreend. Uiteindelijk, uit honderden verstrooiingspatronen biedt ptychografie een enkele, projectie met hoge resolutie die overeenkomt met een röntgenfoto met hoge resolutie. Zoals bij alle tomografiemethoden, het monster wordt ook in kleine stappen geroteerd en vanuit verschillende richtingen bestudeerd.

Nanometer precisie positionering

De onderzoekers testten hun instrument eerst op een kunstmonster:een klein stukje glas, zes micrometer in diameter, die poriën bevatte die waren bedekt met een dunne metalen laag. Tijdens de meting, ze waren in staat om een ​​ruimtelijke resolutie van zestien nanometer te bereiken – en een wereldrecord te behalen. "We hebben het hier over een beeldschaal die de kloof overbrugt tussen conventionele röntgen- en elektronentomografie. De resolutie is erg hoog, maar de monsterdikte en dus het bestudeerde volume is ook relatief groot. De grootste uitdaging voor instrumentatie is het feit dat het monster met grote precisie moest worden gepositioneerd, " benadrukt Mirko Holler, de projectverantwoordelijke. "Dit komt omdat de nauwkeurigheid van de positionering van het monster groter moest zijn dan de resolutie die moest worden bereikt. Dus moesten we de positie van het monster tot op enkele nanometers na gedurende de hele meting kennen, wat nieuwe problemen oplevert in een beeldvormingssysteem." De uiterst nauwkeurige positionering en positiemeting vereiste nieuwe experimentele benaderingen die werden ontwikkeld bij PSI en nu worden gebruikt bij veel synchrotron-lichtbronnen over de hele wereld.

"Alleen een prototype"

Dit wereldrecord werd behaald op een instrument dat "echt maar een prototype" is, maar vanwege het succes wordt toegang tot dit prototype aan gebruikers aangeboden en is er veel vraag naar. Het definitieve systeem is momenteel in aanbouw en het ontwerp profiteert van de ervaring die hier is opgedaan. Een belangrijk kenmerk van het uiteindelijke instrument, genaamd OMNY (tOMografie Nano crYo), is de mogelijkheid om het monster tijdens de meting aanzienlijk te koelen. "De röntgenstraling beschadigt de monsters tijdens de meting, zodat ze geleidelijk veranderen en zelfs vervormen. de meetresolutie wordt beperkt door deze stralingsdosis, vooral bij gevoelige objecten zoals biologische materialen, " legt Holler uit. "Dit effect wordt enorm verminderd door koeling, waardoor we de voordelen van de methode ook kunnen benutten voor metingen aan stralingsgevoelige materialen."

Totdat de nieuwe microscoop klaar is, het prototype blijft samen met gebruikers van de SLS gebruikt worden voor wetenschappelijke studies. Zo ver, bijvoorbeeld, materialen zoals krijt, cement, zonnecellen en fossielen zijn onderzocht in samenwerking met verschillende onderzoeksinstellingen.