Ny metode forbedrer i høj grad røntgen-nanotomografiopløsning

Det har været en sandhed i lang tid:hvis du vil studere enkelte atomers bevægelse og adfærd, elektronmikroskopi kan give dig, hvad røntgenstråler ikke kan. Røntgenstråler er gode til at trænge ind i prøver - de giver dig mulighed for at se, hvad der sker inde i batterier, når de oplades og aflades, for eksempel - men historisk set har de ikke været i stand til at afbilde rumligt med samme præcision, som elektroner kan.

Men forskere arbejder på at forbedre billedopløsningen af ​​røntgenteknikker. En sådan metode er røntgentomografi, som muliggør ikke-invasiv billeddannelse af indersiden af ​​materialer. Hvis du vil kortlægge forviklingerne i et mikrokredsløb, for eksempel, eller spor neuronerne i en hjerne uden at ødelægge det materiale, du ser på, du har brug for røntgentomografi, og jo bedre opløsning, jo mindre fænomener kan du spore med røntgenstrålen.

Til det formål, en gruppe videnskabsmænd ledet af det amerikanske energiministeriums (DOE) Argonne National Laboratory har skabt en ny metode til at forbedre opløsningen af ​​hård røntgen-nanotomografi. (Nanotomografi er røntgenbilleder på skalaen af ​​nanometer. Til sammenligning, et gennemsnitligt menneskehår er 100, 000 nanometer bred.) Holdet konstruerede et røntgenmikroskop med høj opløsning ved hjælp af de kraftige røntgenstråler fra Advanced Photon Source (APS) og skabte nye computeralgoritmer til at kompensere for problemer, der opstår i små skalaer. Ved at bruge denne metode, holdet opnåede en opløsning under 10 nanometer.

"Vi vil være på 10 nanometer eller bedre, sagde Michael Wojcik, en fysiker i optikgruppen i Argonne's X-ray Science Division (XSD). "Vi udviklede dette til nanotomografi, fordi vi kan opnå 3D-information i 10-nanometer-området hurtigere end andre metoder, men optikken og algoritmen kan også anvendes til andre røntgenteknikker."

Ved at bruge det in-house Transmission X-ray Microscope (TXM) ved beamline 32-ID af APS - inklusive specielle linser designet af Wojcik ved Center for Nanoscale Materials (CNM) - var holdet i stand til at bruge de unikke egenskaber ved X- stråler og opnå 3D-billeder i høj opløsning på cirka en time. Men selv disse billeder var ikke helt i den ønskede opløsning, så holdet udtænkte en ny computerdrevet teknik for at forbedre dem yderligere.

De vigtigste problemer, som holdet søgte at rette, er prøvedrift og deformation. I disse små skalaer, hvis prøven bevæger sig inden for strålen, selv med et par nanometer, eller hvis røntgenstrålen forårsager selv den mindste ændring i selve prøven, resultatet vil være bevægelsesartefakter på 3D-billedet af prøven. Dette kan gøre efterfølgende analyse meget vanskeligere.

En prøvedrift kan være forårsaget af alle mulige ting i den lille skala, herunder temperaturændringer. For at udføre tomografi, prøverne skal også roteres meget præcist i strålen, og det kan føre til bevægelsesfejl, der ligner prøvedrift i dataene. Argonne-teamets nye algoritme arbejder på at fjerne disse problemer, hvilket resulterer i et klarere og skarpere 3D-billede.

"Vi udviklede en algoritme, der kompenserer for driften og deformationen, sagde Viktor Nikitin, forskningsassistent i XSD ved Argonne. "Når du anvender standard 3D-rekonstruktionsmetoder, vi opnåede en opløsning i området 16 nanometer, men med algoritmen fik vi det ned på 10 nanometer."

Forskerholdet testede deres udstyr og teknik på flere måder. Først tog de 2D- og 3D-billeder af en lillebitte plade med 16 nanometer brede funktioner fremstillet af Kenan Li, dengang fra Northwestern University og nu ved DOE's SLAC National Accelerator Laboratory. De var i stand til at afbilde små defekter i pladens struktur. De testede det derefter på en faktisk elektrokemisk energilagringsenhed, ved at bruge røntgenstrålerne til at kigge ind og tage billeder i høj opløsning.

Vincent de Andrade, en beamline videnskabsmand ved Argonne på tidspunktet for denne forskning, er hovedforfatter på papiret. "Selvom disse resultater er fremragende, " han sagde, "Der er stadig meget plads til, at denne nye teknik kan blive bedre."

Dette instruments og tekniks muligheder vil forbedres med en fortsat forsknings- og udviklingsindsats på optik og detektorer, og vil drage fordel af den igangværende opgradering af APS. Når færdig, det opgraderede anlæg vil generere højenergi-røntgenstråler, der er op til 500 gange lysere end dem, der i øjeblikket er mulige, og yderligere fremskridt inden for røntgenoptik vil muliggøre endnu smallere stråler med højere opløsning.

"Efter opgraderingen, vi vil presse på for otte nanometer og derunder, " sagde Nikitin. "Vi håber, at dette vil være et stærkt værktøj til forskning i mindre og mindre skalaer."

Holdets forskning blev offentliggjort i Avancerede materialer .