In 1999, UCLA-professor John Miao pionierde met een techniek die coherente diffractieve beeldvorming wordt genoemd, of CDI, waarmee wetenschappers de 3D-structuur van niet-kristallijne monsters of nanokristallen opnieuw kunnen creëren. De prestatie was buitengewoon belangrijk, want hoewel röntgenkristallografie wetenschappers lange tijd in staat had gesteld om de atomaire structuur van een grote verscheidenheid aan moleculen te bepalen, inclusief DNA, het werkt niet voor niet-kristallijne materialen die in verschillende disciplines worden gebruikt, inclusief natuurkunde, scheikunde, materiaal kunde, nanowetenschap, geologie en biologie.

Een artikel van Miao en zijn collega's in het laatste nummer van Wetenschap bespreekt en analyseert de snelle ontwikkeling van briljante röntgenbronnen die wetenschappers over de hele wereld hebben gebruikt voor een breed scala aan toepassingen van zijn uitvinding in de fysische en biologische wetenschappen.

CDI wordt nu gebruikt in een breder scala aan toepassingen dan Miao had gedacht dat het zou zijn - en de techniek is steeds belangrijker geworden voor wetenschappers die de grenzen van waarneembare nanowetenschap verkennen.

Miao, hoogleraar natuurkunde en sterrenkunde, ontdekte dat door een niet-kristallijn monster te verlichten met een briljante laserachtige, of coherent, röntgenfoto, hij zou een lensloze detector kunnen gebruiken om het patroon vast te leggen, of diffractie, van de verstrooiende röntgenstralen. Vervolgens herschiep hij de 3D-structuur van het monster door geavanceerde algoritmen voor het ophalen van fasen te ontwikkelen die op het diffractiepatroon werden toegepast. daarom wordt zijn techniek soms lensloze beeldvorming genoemd.

CDI transformeerde de conventionele kijk op microscopie door de fysieke lens te vervangen door een computationeel algoritme. Door het gebruik van lenzen te vermijden, CDI kan beelden verkrijgen van objecten op nanoschaal met een hoge resolutie en een hoog contrast. Het heeft ook voordelen ten opzichte van andere beeldvormingstechnieken zoals elektronenmicroscopie omdat het kan worden gebruikt om dikke monsters in drie dimensies af te beelden.

Verwacht wordt dat deze krachtige beeldvormingstechniek ons ​​begrip van een breed scala aan dynamische fenomenen in de natuurkunde aanzienlijk zal vergroten, chemie en micro-elektronica; bijvoorbeeld, faseovergangen, wanneer stoffen snel van de ene toestand in de andere veranderen.

CDI is om verschillende redenen ideaal voor kwantitatieve 3D-karakterisering van materialen op nanoschaal. Röntgenstralen hebben een grotere penetratiediepte dan elektronen, dus monsters in een elektronenmicroscoop worden vernietigd door de krachtige elektronenstraal van de microscoop terwijl ze worden afgebeeld, maar de röntgenstralen van CDI kunnen vaak de vernietiging van monsters voorkomen. CDI maakt ook chemische, elementair, en magnetische 3D-mapping van complexe materie.

In de materiaalkunde, CDI werd gebruikt om het eerste 3D-vervormingsveld en de volledige spanningstensor in individuele nanokristallen met resolutie op nanoschaal te bepalen, een sleutel tot het begrijpen en beheersen van spanning, dat van fundamenteel belang is voor het ontwerpen en implementeren van nanomaterialen zoals die worden gebruikt in hogesnelheidselektronica. CDI maakte ook de eerste 3D-beeldvorming mogelijk van minerale kristallen in botten op nanometerschaal, het geven van een veel beter begrip van de moleculaire structuur van bot.

In lithium-ionbatterijen, wanneer het elektrodemateriaal elektrische lading opslaat, het materiaal ondergaat een faseovergang die de levensduur van de batterij verkort. Met CDI, wetenschappers kunnen beter begrijpen hoe lithium-ionbatterijen kunnen worden gemaakt om meer energie op te slaan en langer mee te gaan zonder te barsten.