Wetenschap
Deze scanning-elektronenmicrofoto's laten zien hoe nauwkeurig de drie Fresnel-zoneplaten boven elkaar werden geplaatst. Met deze 3D-röntgenoptiek kunnen de resoluties en optische intensiteiten aanzienlijk worden verbeterd. Krediet:S. Werner/HZB
Natuurkundigen van de HZB hebben een proces ontwikkeld om verbeterde lenzen voor röntgenmicroscopie te genereren die zowel een betere resolutie als een hogere doorvoer bieden. Om dit te bereiken, ze fabriceren driedimensionale röntgenoptica voor volumediffractie die bestaat uit op de chip gestapelde Fresnel-zoneplaten. Deze driedimensionale nanostructuren concentreren de invallende röntgenstralen veel efficiënter en maken een verbeterde ruimtelijke resolutie onder de tien nanometer mogelijk.
In de toekomst, dit soort nieuwe röntgenoptiek zou beschikbaar moeten zijn voor gebruikers bij de BESSY II-synchrotronbron. Onder de vele toepassingen, de verbeterde resolutie maakt onderzoek naar ultrastructurele kenmerken in biologische monsters mogelijk, evenals studies naar nanostructuren in nieuwe batterijsystemen.
De golflengte van licht beperkt resolutie in microscopie. Zichtbaar licht kan structuren oplossen in de orde van een kwart micron, terwijl de aanzienlijk kortere golflengte van röntgenstraling in principe kenmerken tot op enkele nanometers kan oplossen. In aanvulling, Röntgenstralen kunnen ook dieper in specimens doordringen, zodat interne structuren van driedimensionale specimens kunnen worden onderzocht. Echter, hoewel licht in het zichtbare gebied kan worden gefocust met behulp van brekingslenzen van glas, deze benadering werkt niet met zachte röntgenstralen. Om röntgenstralen te gebruiken voor beeldvorming, het is noodzakelijk om Fresnel-zoneplaten te gebruiken, die zijn gemaakt van concentrische ringen die zijn samengesteld uit metalen zoals nikkel of goud. Deze metalen ringen buigen röntgenstralen af, zodat bijdragen van de verschillende zones constructief op het brandpunt worden gesuperponeerd. Het resultaat is dat Fresnel-zoneplaten fungeren als objectieflenzen om röntgenstralen te focusseren en kunnen worden gebruikt in röntgenmicroscopen. De haalbare ruimtelijke resolutie is afhankelijk van de kleinste ringbreedte die kan worden vervaardigd, wat tot nu toe ongeveer tien nanometer was.
Een verbetering van de ruimtelijke resolutie tot onder de tien nanometer levert zowel technologische als fundamentele fysieke problemen op. Aan de ene kant, het is technologisch uiterst uitdagend om periodieke zonestructuren te fabriceren met een ringbreedte van minder dan tien nanometer en een hoogte van enkele honderden nanometers. Anderzijds, theoretische berekeningen geven aan dat dit soort optica met afnemende ringbreedte steeds inefficiënter zou worden en simpelweg te weinig licht zou opvangen. Dit dilemma kan worden opgelost met behulp van volumediffractie. Echter, de nadering vereist zonekenmerken die tegelijkertijd een toenemende hellingshoek en een afnemende zonehoogte versus straal hebben, d.w.z. driedimensionaal gestructureerde röntgenoptica. "Theoretisch, Hoewel, bijna 100 procent van het invallende licht kon worden gebruikt voor het beeld, " legt Dr. Stephan Werner uit van de Microscopy Research Group van het HZB Institute for Soft Matter and Functional Materials.
In een eerste stap naar driedimensionale röntgenoptica, de experts van HZB hebben drie lagen Fresnel-zoneplaten bijna perfect boven elkaar vervaardigd. "We hebben een proces ontwikkeld dat het op de chip stapelen van Fresnel-zoneplaten mogelijk maakt met een precisie van minder dan twee nanometer, " zegt Dr. Gerd Schneider, die aan het hoofd staat van de Microscopy Research Group. De eerste metingen tonen aan dat deze structuur aanzienlijk meer licht opvangt voor beeldvorming dan conventionele Fresnel-zoneplaten. "Als we erin slagen om vijf zoneplaatlagen boven elkaar te positioneren, dat is ons volgende doel, we zullen in staat zijn om een vele malen hogere fractie van het invallende röntgenlicht te gebruiken voor beeldvorming dan tot nu toe beschikbaar was, ' zegt Werner.
Het HZB-team doet verslag van de ontwikkeling van de nieuwe röntgenoptiek in het technisch tijdschrift Nano-onderzoek . Ook gebruikers van BESSY II kunnen binnenkort profiteren van deze vooruitgang. Röntgenmicroscopie is een belangrijke techniek voor een breed scala aan onderzoeksonderwerpen, bijvoorbeeld in de levenswetenschappen om celorganellen te onderzoeken, virussen, en nanodeeltjes in cellen, evenals voor materiaalwetenschap en energieonderzoek om nieuwe elektrochemische benaderingen voor energieopslag in situ te bestuderen.
Wetenschap © https://nl.scienceaq.com