Los científicos de DESY han desarrollado lentes novedosos que permiten la microscopía de rayos X con una resolución récord en el régimen nanométrico. Usando nuevos materiales, el equipo de investigación dirigido por el científico de DESY Sasa Bajt del Centro de Ciencia del Láser de Electrones Libres (CFEL) ha perfeccionado el diseño de ópticas de rayos X especializadas y logrado un tamaño de punto de enfoque con un diámetro de menos de diez nanómetros. Un nanómetro es una millonésima de milímetro y es más pequeño que la mayoría de las partículas de virus. Los investigadores informan de su trabajo en la revista. Luz:ciencia y aplicaciones . Utilizaron con éxito sus lentes para obtener imágenes de muestras de plancton marino.

Los aceleradores de partículas modernos proporcionan haces de rayos X ultrabrillantes y de alta calidad. La longitud de onda corta y la naturaleza penetrante de los rayos X son ideales para la investigación microscópica de materiales complejos. Sin embargo, Aprovechar al máximo estas propiedades requiere una óptica altamente eficiente y casi perfecta en el régimen de rayos X. A pesar de los grandes esfuerzos realizados en todo el mundo, esto resultó ser más difícil de lo esperado, y lograr un microscopio de rayos X que pueda resolver características de menos de diez nanómetros sigue siendo un gran desafío.

Debido a sus propiedades únicas, los rayos X no se pueden enfocar tan fácilmente como la luz visible. Una forma es utilizar ópticas de rayos X especializadas llamadas lentes Laue multicapa (MLL). Estas lentes constan de capas alternas de dos materiales diferentes con un grosor nanométrico. Se preparan con un proceso de recubrimiento llamado deposición por pulverización catódica. A diferencia de la óptica convencional, Los MLL no refractan la luz, pero funcionan difractando los rayos X incidentes de una manera que concentra el haz en un punto pequeño. Lograr esto, El espesor de capa de los materiales debe controlarse con precisión. Las capas deben cambiar gradualmente de grosor y orientación a lo largo de la lente. El tamaño del foco es proporcional al espesor de capa más pequeño en la estructura MLL.

Para cumplir con la precisión requerida, El equipo de Bajt combinó un proceso de fabricación novedoso con una comprensión detallada de las propiedades del material, que a menudo varían con el espesor de la capa. Las nuevas lentes constan de más de 10000 capas alternas de una nueva combinación de materiales, carburo de tungsteno y carburo de silicio. "La selección del par de materiales adecuado fue fundamental para el éxito, "enfatiza Bajt." No excluye otras combinaciones de materiales, pero definitivamente es lo mejor que conocemos ahora ".

Para enfocar un haz de rayos X en las direcciones vertical y horizontal, tiene que pasar a través de dos lentes orientadas perpendicularmente. Al usar esta configuración, Se midió un tamaño de punto de 8,4 nanómetros por 6,8 nanómetros en la estación experimental Hard X-ray Nanoprobe en la National Synchrotron Light Source NSLS II en el Laboratorio Nacional Brookhaven en los EE. UU. El tamaño del foco es lo que establece la resolución del microscopio de rayos X. La resolución de las nuevas lentes es aproximadamente cinco veces mejor que la que se puede lograr con las lentes típicas de última generación.

"Producimos el foco de rayos X más pequeño del mundo utilizando lentes de alta eficiencia, "dice Bajt. Debido a su naturaleza penetrante, Los rayos X normalmente atraviesan los materiales de la lente. Obviamente, tales rayos no contribuyen al enfoque, y, por lo tanto, un objetivo a largo plazo ha sido producir estructuras de lentes que mejoren la interacción con los rayos X, para dirigir una fracción alta al foco. Las nuevas lentes tienen una eficiencia de más del 80 por ciento. Esta alta eficiencia se consigue con las estructuras estratificadas que componen la lente y que actúan como un cristal artificial para difractar los rayos X de forma controlada.

La alta eficiencia lograda aquí demuestra el altísimo nivel de control en la producción de las estructuras nanométricas necesarias. Esta precisión permite la proyección de imágenes en una amplia gama de aumentos, como lo demuestran las pruebas de los nuevos lentes. En la línea de luz P11 de la fuente de rayos X de DESY, PETRA III, los científicos produjeron hologramas de alta resolución de Acantharea, Radiolaria unicelular perteneciente al plancton marino y los únicos organismos conocidos que forman esqueletos a partir del mineral sulfato de estroncio (SrSO4) o celestita.

El equipo de Bajt también ha utilizado las nuevas lentes para obtener imágenes de las conchas biomineralizadas de diatomeas planctónicas marinas. Estos organismos unicelulares tienen conchas intrincadas, que son construcciones muy complejas, estables pero también ligeras. Constan de sílice nanoestructurada, que se observó en análisis bidimensionales con microscopios electrónicos antes. Probablemente debido a esta estructuración, la resistencia de la sílice es excepcionalmente alta, diez veces mayor que la del acero de construcción, aunque se produce en condiciones de baja temperatura y presión.

"Esperamos que la novedosa óptica de rayos X pronto haga posible obtener imágenes de estas nanoestructuras en 3D. Esto nos permitirá modelar y comprender el alto rendimiento mecánico de estas carcasas y nos ayudará a desarrollar nuevas, materiales ecológicos y de alto rendimiento, "dice Christian Hamm del Instituto Alfred Wegener, Centro Helmholtz de Investigación Polar y Marina (AWI), quien proporcionó las muestras y es coautor de este estudio.

Las nuevas lentes se pueden utilizar en una amplia gama de aplicaciones, incluidas imágenes de nano resolución y espectroscopia. "Estos MLL abren nuevas y emocionantes oportunidades en la ciencia de los rayos X. Pueden diseñarse para diferentes energías y usarse con fuentes coherentes, como los láseres de rayos X de electrones libres, ", dice Bajt." Este gran logro no hubiera sido posible sin un equipo maravilloso con experiencia en teoría y óptica de rayos X, nanofabricación, ciencia material, procesamiento e instrumentación de datos. Dado que ahora sabemos cómo optimizar el diseño de la lente, nuestro trabajo allana el camino para alcanzar finalmente el objetivo de una resolución de un nanómetro en microscopía de rayos X ".