Hvad der ligger under:Kortlægning af skjulte nanostrukturer

Evnen til at diagnosticere og forudsige materialers egenskaber er afgørende, især inden for det voksende område af nanoteknologi. Elektron- og atomprobemikroskopi kan kategorisere atomer i tynde lag af materiale, og i små områder med tykkere prøver, men det har vist sig langt sværere at kortlægge bestanddelene af nanostrukturer inde i store, tykke genstande. Røntgenstråler - det mest almindelige billeddannelsesværktøj til hårde biologiske materialer såsom knogler - har en begrænset brændpunktsstørrelse, så de kan ikke fokusere på objekter i nanoskala.

Nu, Yukio Takahashi og kolleger ved Osaka University, sammen med forskere ved Nagoya University og RIKEN SPring-8 center i Hyogo, er det lykkedes for første gang at producere todimensionelle billeder af nanostrukturer indkapslet i tykke materialer i stor skala. Deres arbejde var muligt, fordi de designede et nyt røntgendiffraktionsmikroskopisystem, der ikke kræver en linse.

"De vigtigste udfordringer i dette arbejde var at realisere røntgendiffraktionsmikroskopi med en høj opløsning og et stort synsfelt, derefter udvide det til element-specifik billeddannelse, ” forklarer Takahashi. "Vi opnåede dette ved at etablere en scannings-røntgendiffraktionsbilledteknik kaldet røntgenptykografi."

Ptychografi involverer at tage billeder af et objekt, der overlapper hinanden på en række sammenfaldende gitterpunkter. Forskerne kombinerede denne teknik med røntgenstråler, og inkluderede et system til at kompensere for optikkens drift under billeddannelse. Takahashi og hans kolleger fokuserede røntgenbillederne ved hjælp af såkaldte 'Kirkpatrick-Baez-spejle', der gjorde det muligt for dem at indsamle højkvalitets diffraktionsdata.

Deres system overvåger ændringerne i diffraktionen af ​​røntgenstråler ved to forskellige energier. Graden af ​​faseforskel mellem de to røntgenenergier ændrer sig væsentligt ved målelementets absorptionskant. Dette er relateret til grundstoffets atomnummer, hvilket betyder, at de elementer, der er til stede i materialet, kan identificeres. For at kontrollere, at deres system fungerer, forskerne deponerede guld/sølv nanopartikler omkring 200 nanometer store på en siliciumnitridmembran, og producerede billeder i høj opløsning og stor skala af partiklerne. Opløsningerne var bedre end 10 nanometer (fig. 1).

"En af de praktiske anvendelser [af denne teknik] i fremtiden er den mulige observation af celler, ” forklarer Takahashi. "Formen af ​​en hel celle og den rumlige fordeling af [dens] organeller kunne visualiseres tredimensionelt ved 10 nanometer opløsning - for at give nøgleindsigt i organisationen inde i celler. Vi håber at se denne teknik blive brugt i biologisk og materialevidenskab i fremtiden."