Gør røntgenmikroskopi 10 gange hurtigere

Mikroskoper gør det usynlige synligt. Og sammenlignet med konventionelle lysmikroskoper, transmission røntgenmikroskoper (TXM) kan se ind i prøver med meget højere opløsning, afslører ekstraordinære detaljer. Forskere på tværs af en lang række videnskabelige områder bruger TXM til at se den strukturelle og kemiske sammensætning af deres prøver - alt fra biologiske celler til energilagringsmaterialer.

Nu, forskere ved National Synchrotron Light Source II (NSLS-II)-et US Department of Energy (DOE) Office of Science User Facility på DOE's Brookhaven National Laboratory-har udviklet en TXM, der kan billedprøver 10 gange hurtigere end tidligere muligt. Deres forskning er publiceret i Anvendt fysik bogstaver .

"Vi har forbedret hastigheden på røntgenmikroskopiforsøg betydeligt, "sagde Wah-Keat Lee, hovedforsker ved NSLS-II's Full Field X-ray Imaging (FXI) beamline, hvor mikroskopet blev bygget. På FXI, Lee og hans kolleger reducerede den tid, det tager en TXM til billedprøver i 3D, fra over 10 minutter til kun et minut, mens du stadig producerer billeder med enestående 3D-opløsning-under 50 nanometer, eller 50 milliarddeler af en meter. "Dette gennembrud vil gøre det muligt for forskere at visualisere deres prøver meget hurtigere ved FXI end ved lignende instrumenter rundt om i verden, "Sagde Lee.

Bortset fra at reducere den tid, det tager at gennemføre et eksperiment, en hurtigere TXM kan indsamle mere værdifulde data fra prøver.

"Den hellige gral for næsten alle billedteknikker er at kunne se en prøve i 3D og i realtid, "Sagde Lee." Hastigheden på disse eksperimenter er relevant, fordi vi vil observere ændringer, der sker hurtigt. Der er mange strukturelle og kemiske ændringer, der sker på forskellige tidsskalaer, så et hurtigere instrument kan se meget mere. For eksempel, vi har evnen til at spore, hvordan korrosion sker i et materiale, eller hvor godt forskellige dele af et batteri fungerer. "

For at tilbyde disse muligheder ved FXI, teamet havde brug for at bygge en TXM ved hjælp af de seneste udviklinger inden for ultrahurtig nano-positionering (en metode til at flytte en prøve, mens vibrationer begrænses), sensing (en metode til at spore prøvebevægelse), og kontrol. Det nye mikroskop blev udviklet internt på Brookhaven Lab gennem en samarbejdsindsats mellem ingeniørerne, beamline personale, og forsknings- og udviklingsteam på NSLS-II.

Forskerne sagde, at udvikling af superhurtige muligheder ved FXI også stærkt afhang af det avancerede design af NSLS-II.

"Vores evne til at gøre FXI mere end 10 gange hurtigere end noget andet instrument i verden skyldes også den kraftige røntgenkilde ved NSLS-II, "Sagde Lee." På NSLS-II, vi har enheder kaldet dæmpende wigglers, som bruges til at opnå de meget små elektronstråler til anlægget. Heldigvis for os, disse enheder producerer også et meget stort antal røntgenstråler. Mængden af ​​disse kraftige røntgenstråler er direkte relateret til hastigheden af ​​vores eksperimenter. "

Ved hjælp af de nye muligheder på FXI, forskerne afbildede væksten af ​​sølvdendritter på et stykke kobber. På et enkelt minut, strålelinien tog 1060 2-D-billeder af prøven og rekonstruerede dem for at danne et 3D-øjebliksbillede af reaktionen. Gentager dette, forskerne var i stand til at danne et minut for minut, 3D-animation af den kemiske reaktion.

"Vi valgte at forestille os denne reaktion, fordi den demonstrerer kraften i FXI, "sagde Mingyuan Ge, hovedforfatter af forskningen og en videnskabsmand ved NSLS-II. "Reaktionen er velkendt, men det er aldrig blevet visualiseret i 3D med så hurtig en erhvervelsestid. Ud over, vores rumlige opløsning er 30 til 50 gange finere end optisk mikroskopi, der tidligere blev brugt. "

Med afslutningen af ​​denne forskning, FXI har påbegyndt sine generelle brugeroperationer, velkommen forskere fra hele verden til at bruge beamlines avancerede muligheder.