Nyt mikroskop fanger nanoskala strukturer i blændende 3D

(Phys.org)-Et nyt røntgenmikroskop undersøger de indre forviklinger af materialer, der er mindre end menneskelige celler, og skaber uovertrufne 3D-billeder i høj opløsning. Ved at integrere unikke automatiske kalibreringer, forskere ved det amerikanske energiministeriums Brookhaven National Laboratory er i stand til at fange og kombinere tusindvis af billeder med større hastighed og præcision end noget andet mikroskop. Den direkte observation af strukturer på 25 nanometer vil tilbyde grundlæggende fremskridt på mange områder, herunder energiforskning, miljøvidenskab, biologi, og det nationale forsvar.

Dette innovative fuldfeltstransmissionsrøntgenmikroskop (TXM), finansieret af American Reinvestment and Recovery Act, blev udviklet og bestilt hos Brookhaven Labs National Synchrotron Light Source (NSLS), som giver den røntgenkilde, der er nødvendig for at tage billeder på nanoskalaen. Et nyt papir offentliggjort i Applied Physics Letters i april 2012 beskriver den eksperimentelle succes med et gennembrudssystem, der hurtigt kombinerer 2D -billeder taget fra alle vinkler til digitale 3D -konstruktioner.

“Vi kan faktisk se den interne 3D -struktur af materialer på nanoskalaen, ”Sagde Brookhaven -fysikeren Jun Wang, hovedforfatter af papiret og leder af teamet, der først foreslog denne TXM. “Enheden fungerer smukt, og den overvinder flere store forhindringer for røntgenmikroskoper. Vi er spændte på at se, hvordan denne teknologi vil skubbe til forskning. ”

Bygger en ekstra dimension

Wangs team undersøgte, for eksempel, en 20 mikrometer elektrode fra et lithium-ion batteri-så tyndt som et menneskehår. Den interne interaktion mellem porer og partikler bestemmer batteriets energimæssige ydeevne, og undersøgelse af denne aktivitet kræver præcis viden om nanoskala strukturen.

Wangs hold tog 1, 441 2D -billeder af elektroden som en maskine drejede den lille materialeprøve for at fange enhver mulig vinkel. Udfordringen bliver derefter at konvertere disse separate billeder til en enkelt 3D -struktur - en hvor hver nanometer gør en forskel. På denne skala, de sædvanlige wobbles på en mikron svarer i omfang til at tage et portræt og få motivet til at springe flere fod til hver side.

Inden dette nye system, forskere skulle manuelt justere hvert enkelt billede eller bruge software til langsomt at fortolke skiftene. Dette havde to store begrænsende virkninger på processen:For det første, prøven skal have skarpe interne funktioner eller være markeret for at give retningslinjer, som kan begrænse materialetyper; og for det andet, manuel justering kræver så meget tid, at det samlede billedantal tinder i hundredvis. Brookhavens TXM ændrer det.

For første gang, prøven er monteret oven på en platform med tre sensorer, der måler nanometerforskydninger i enhver retning, når batteriet roterer, og mikroskopet tager billeder. Computeren optager billederne, efter kalibrering ved hjælp af en guldkugle, kompenserer derefter automatisk for eventuelle skift og samler billederne nøjagtigt til den sidste tredimensionelle konstruktion. Hele processen tager kun fire timer, og det skyldes mere de røntgenstråler, der er tilgængelige fra NSLS end mikroskopet eller computeren.

Fremtiden for 3D

Brookhaven's National Synchrotron Light Source II (NSLS-II), planlagt at komme online i 2015, vil udnytte mulighederne i denne TXM på en endnu mere radikal skala. Imaging at lithium-ion batteri tog 10, 000 sekunder på NSLS, men med den nye lyskildes større lysstrøm, eller røntgenlysstyrke, det bliver 1, 000 gange hurtigere, faldende den tid til kun 10 sekunder.

Ud over direkte strukturel observation, TXM vil også fremme elementær og kemisk forståelse af materialer. Opretholdelse af konstant forstørrelse under spektroskopisk billeddannelse, som undersøger de unikke måder, hvorpå materie interagerer med stråling, forskere vil være i stand til at identificere de individuelle kemiske konfigurationer inden for prøver. Wangs team arbejder i øjeblikket på forskning for at demonstrere denne evne.

Nanoimaging for industri og national sikkerhed

TXM blev købt med støtte fra American Recovery and Reinvestment Act, designet til at anspore økonomisk aktivitet og skabe job. Xradia, en virksomhed i Californien, der har specialiseret sig i 3D-røntgenmikroskopi, bygget den nye enhed. Brookhaven Lab -fysikere arbejdede i tæt samarbejde med Xradia -ingeniører, forklarer deres specifikke forskningsmål og præstationsbehov.

”Dette har været et meget vellykket samarbejde, og Xradia har været vores kritiske partner i dette projekt, ”Sagde Wang. "Vi er stadig i hyppig kontakt for at give dem feedback om mikroskopets ydeevne, så fremtidige designinnovationer kan laves. ”

Mens fokus for den nye TXM sandsynligvis vil være på alternative energibrændstoffer og opbevaringsløsninger, den grundlæggende indsigt er allerede blevet anvendt til at plante rodstrukturer, katalysatorer, og avanceret elektronik. 3D -billeddannelsessystemets demonstrerede succes har allerede tiltrukket kommercielle brugeres interesse, med større virksomheder som UOP og IBM planlægningstid på TXM. Defense Advanced Research Projects Agency (DARPA) planlægger også at bruge det nye mikroskop til at undersøge de indviklede strukturer af importerede mikrochips af hensyn til den nationale sikkerhed.