Forskere finder hurtigt nye applikationer til kohærent diffraktiv billeddannelse

I 1999, UCLA -professor John Miao var banebrydende inden for en teknik kaldet koherent diffraktiv billeddannelse, eller CDI, som gør det muligt for forskere at genskabe 3D-strukturen af ​​ikke-krystallinske prøver eller nanokrystaller. Præstationen var ekstremt betydningsfuld, fordi selvom røntgenkrystallografi længe havde gjort det muligt for forskere at bestemme atomstrukturen af ​​en lang række molekyler, herunder DNA, det virker ikke for ikke -krystallinske materialer, der bruges i en række forskellige discipliner, herunder fysik, kemi, materialevidenskab, nanovidenskab, geologi og biologi.

En artikel af Miao og hans kolleger i det seneste nummer af Videnskab gennemgår og analyserer den hurtige udvikling af strålende røntgenkilder, som forskere verden over har brugt til en lang række anvendelser af hans opfindelse inden for fysiske og biologiske videnskaber.

CDI bliver nu brugt i en bredere vifte af applikationer, end Miao havde forestillet sig det ville være - og teknikken er blevet stadig vigtigere for forskere, der udforsker grænserne for observerbar nanovidenskab.

Miao, professor i fysik og astronomi, fandt ud af, at ved at belyse en ikke-krystallinsk prøve med en strålende laserlignende, eller sammenhængende, røntgen, han kunne bruge en linseløs detektor til at optage mønsteret, eller diffraktion, af de spredningsrøntgenstråler. Han genskabte derefter 3D-strukturen af ​​prøven ved at udvikle avancerede fasehentningsalgoritmer anvendt på diffraktionsmønsteret, hvorfor hans teknik nogle gange omtales som linseløs billeddannelse.

CDI transformerede det konventionelle syn på mikroskopi ved at erstatte den fysiske linse med en beregningsalgoritme. Ved at undgå brug af linser, CDI kan få billeder af objekter i nanoskala med høj opløsning og høj kontrast. Det har også fordele i forhold til andre billeddannelsesteknikker såsom elektronmikroskopi, fordi det kan bruges til at se tykke prøver i tre dimensioner.

Denne kraftfulde billedbehandlingsteknik forventes nu dybt at udvide vores forståelse af en bred vifte af dynamiske fænomener i fysik, kemi og mikroelektronik; for eksempel, faseovergange, når stoffer ændrer sig hurtigt fra en tilstand til en anden.

CDI er ideel til kvantitativ 3D-karakterisering af materialer i nanoskala af flere årsager. Røntgenstråler har en større penetrationsdybde end elektroner, så prøver i et elektronmikroskop ødelægges af mikroskopets kraftige elektronstråle, når de afbildes, men CDI's røntgenstråler kan ofte undgå destruktion af prøver. CDI muliggør også kemikalier i nanoskala, elementær, og magnetisk 3D -kortlægning af komplekst stof.

I materialevidenskab, CDI blev brugt til at bestemme det første 3D -deformationsfelt og tensor med fuld belastning inde i individuelle nanokrystaller med nanoskalaopløsning, en nøgle til at forstå og håndtere belastninger, som er grundlæggende for at designe og implementere nanomaterialer som dem, der bruges i højhastighedselektronik. CDI muliggjorde også den første 3D -billeddannelse af mineralkrystaller inde i knogler i nanometerskalaen, giver en meget større forståelse af knoglernes molekylære struktur.

I lithium-ion-batterier, når elektrodematerialet gemmer elektrisk ladning, materialet gennemgår faseovergang, der reducerer batteriets levetid. Med CDI, forskere kan bedre forstå, hvordan lithium-ion-batterier kan fås til at lagre mere energi og holde længere uden at revne.