Nye linser muliggør røntgenmikroskopi med rekordopløsning

Forskere ved DESY har udviklet nye linser, der muliggør røntgenmikroskopi med rekordopløsning i nanometerregimet. Brug af nye materialer, forskerholdet ledet af DESY-forskeren Sasa Bajt fra Center for Free-Electron Laser Science (CFEL) har perfektioneret designet af specialiseret røntgenoptik og opnået en fokuspunktstørrelse med en diameter på mindre end ti nanometer. En nanometer er en milliontedel af en millimeter og er mindre end de fleste viruspartikler. Forskerne rapporterer deres arbejde i tidsskriftet Lys:Videnskab og applikationer . De brugte med succes deres linser til at afbilde prøver af havplankton.

Moderne partikelacceleratorer giver ultra-lyse og højkvalitets røntgenstråler. Den korte bølgelængde og den gennemtrængende karakter af røntgenstråler er ideelle til mikroskopisk undersøgelse af komplekse materialer. Imidlertid, at udnytte disse egenskaber fuldt ud kræver højeffektiv og næsten perfekt optik i røntgenregimet. Trods en omfattende indsats på verdensplan viste det sig at være sværere end forventet, og det er stadig en stor udfordring at opnå et røntgenmikroskop, der kan løse funktioner mindre end ti nanometer.

På grund af deres unikke egenskaber kan røntgenstråler ikke fokuseres så let som synligt lys. En måde er at bruge specialiseret røntgenoptik kaldet multilayer Laue linser (MLL'er). Disse linser består af vekslende lag af to forskellige materialer med nanometertykkelse. De er fremstillet med en belægningsproces kaldet sputterdeposition. I modsætning til konventionel optik, MLL'er bryder ikke lys, men virker ved at diffraktere de indfaldende røntgenstråler på en måde, der koncentrerer strålen på et lille sted. For at opnå dette, lagtykkelsen af ​​materialerne skal kontrolleres præcist. Lagene skal gradvist ændres i tykkelse og orientering i hele linsen. Fokusstørrelsen er proportional med den mindste lagtykkelse i MLL-strukturen.

For at opfylde den nødvendige præcision, Bajts team kombinerede en ny fremstillingsproces med detaljeret forståelse af materialets egenskaber, som ofte varierer med lagtykkelsen. De nye linser består af over 10.000 vekslende lag af en ny materialekombination, wolframcarbid og siliciumcarbid. "Udvalget af det rigtige materialepar var afgørende for succesen, " understreger Bajt. "Det udelukker ikke andre materialekombinationer, men det er absolut det bedste, vi ved nu."

For at fokusere en røntgenstråle i lodret og vandret retning skal den passere gennem to vinkelret orienterede linser. Ved at bruge denne opsætning, en pletstørrelse på 8,4 nanometer gange 6,8 nanometer blev målt ved Hard X-ray Nanoprobe forsøgsstationen ved National Synchrotron Light Source NSLS II ved Brookhaven National Laboratory i USA. Fokusstørrelsen er det, der sætter opløsningen af ​​røntgenmikroskopet. Opløsningen af ​​de nye linser er omkring fem gange bedre end det, der kan opnås med typiske avancerede linser.

"Vi producerede verdens mindste røntgenfokus ved hjælp af højeffektive linser, " siger Bajt. På grund af deres gennemtrængende natur, Røntgenstråler ville normalt passere lige gennem linsematerialerne. Sådanne stråler bidrager åbenbart ikke til fokus, og derfor har et langsigtet mål været at producere linsestrukturer, der forbedrer interaktionen med røntgenstråler, at rette en høj brøkdel ind i fokus. De nye linser har en effektivitet på mere end 80 pct. Denne høje effektivitet opnås med de lagdelte strukturer, der udgør linsen, og som fungerer som en kunstig krystal til at diffraktere røntgenstråler på en kontrolleret måde.

Den høje effektivitet, der opnås her, demonstrerer det meget høje niveau af kontrol i produktionen af ​​de nødvendige nanometerstrukturer. Denne nøjagtighed tillader projektionsbilleder over et stort udvalg af forstørrelser, som demonstreret ved test af de nye linser. Ved beamline P11 af DESYs røntgenkilde PETRA III producerede forskerne højopløselige hologrammer af Acantharea, encellede Radiolaria tilhørende havplankton og de eneste organismer, der vides at danne skeletter af mineralet strontiumsulfat (SrSO4) eller celestit.

Bajts team har også brugt de nye linser til at afbilde de biomineraliserede skaller af marine plankton-kiselalger. Disse encellede organismer har indviklede skaller, som er meget komplekse stabile, men også lette konstruktioner. De består af nanostruktureret silica, som blev observeret i todimensionelle analyser med elektronmikroskoper før. Mest sandsynligt på grund af denne strukturering, styrken af ​​silicaen er usædvanlig høj - ti gange højere end konstruktionsstål - selvom den produceres under lave temperatur- og trykforhold.

"Vi håber, at den nye røntgenoptik snart vil gøre det muligt at afbilde disse nanostrukturer i 3D. Dette vil gøre os i stand til at modellere og forstå den høje mekaniske ydeevne af disse skaller og hjælpe os med at udvikle nye, miljøvenlige og højtydende materialer, siger Christian Hamm fra Alfred Wegener Instituttet. Helmholtz Center for Polar- og Havforskning (AWI), der har leveret prøverne og er medforfatter til denne undersøgelse.

De nye linser kan bruges i en bred vifte af applikationer, herunder nanoopløsningsbilleddannelse og spektroskopi. "Disse MLL'er åbner op for nye og spændende muligheder inden for røntgenvidenskab. De kan designes til forskellige energier og bruges med sammenhængende kilder, såsom røntgen-frielektronlasere, " siger Bajt. "Denne store præstation ville ikke have været mulig uden et vidunderligt team med ekspertise inden for røntgenoptik og teori, nanofabrikation, materiale videnskab, databehandling og instrumentering. Da vi nu ved, hvordan man optimerer objektivdesignet, vores arbejde baner vejen for i sidste ende at nå målet om én nanometer opløsning i røntgenmikroskopi."