Los científicos del Laboratorio Nacional Brookhaven del Departamento de Energía de EE. UU. (DOE) han desarrollado un nuevo enfoque para la obtención de imágenes de rayos X en 3D que puede visualizar materiales voluminosos con gran detalle, una tarea imposible con los métodos de imágenes convencionales. La nueva técnica podría ayudar a los científicos a descubrir pistas sobre la información estructural de innumerables materiales. desde baterías hasta sistemas biológicos.

Los científicos desarrollaron su enfoque en la Fuente de luz sincrotrón nacional II de Brookhaven (NSLS-II), una instalación para usuarios de la Oficina de ciencia del DOE donde los científicos utilizan rayos X ultrabrillantes para revelar detalles a nanoescala. El equipo está ubicado en la línea de luz Nanoprobe de rayos X duros (HXN) de NSLS-II, una estación experimental que utiliza lentes avanzados para ofrecer una resolución líder en el mundo, hasta 10 nanómetros, aproximadamente una diezmilésima parte del diámetro de un cabello humano.

HXN produce imágenes de muy alta resolución que pueden proporcionar a los científicos una visión completa de las diferentes propiedades de los materiales en 2-D y 3-D. La línea de luz también tiene una combinación única de capacidades operativas e in situ, métodos para estudiar materiales en condiciones operativas de la vida real. Sin embargo, Los científicos que utilizan microscopios de rayos X se han visto limitados por el tamaño y el grosor de los materiales que pueden estudiar.

"La comunidad de imágenes de rayos X todavía se enfrenta a grandes desafíos para aprovechar al máximo el potencial de las líneas de luz como HXN, especialmente para obtener detalles de alta resolución a partir de muestras gruesas, "dijo Yong Chu, científico principal de líneas de luz en HXN. "Obteniendo calidad, Las imágenes de alta resolución pueden convertirse en un desafío cuando un material es grueso, es decir, más grueso que la profundidad de enfoque de la óptica de rayos X ".

Ahora, Los científicos de HXN han desarrollado un método eficaz para estudiar muestras gruesas sin sacrificar la excelente resolución que proporciona HXN. Describen su enfoque en un artículo publicado en la revista Optica .

"El objetivo final de nuestra investigación es romper la barrera técnica impuesta al grosor de la muestra y desarrollar una nueva forma de realizar imágenes en 3-D, una que implique rebanar matemáticamente la muestra, "dijo Xiaojing Huang, científico de HXN y coautor del artículo.

El método convencional de obtener una imagen en 3-D implica recolectar y combinar una serie de imágenes en 2-D. Para obtener estas imágenes 2-D, los científicos generalmente giran la muestra 180 grados; sin embargo, las muestras grandes no pueden rotar fácilmente dentro del espacio limitado de los microscopios de rayos X típicos. Esta limitación, además del desafío de obtener imágenes de muestras gruesas, hace que sea casi imposible reconstruir una imagen 3D con alta resolución.

"En lugar de recopilar una serie de proyecciones bidimensionales mediante la rotación de la muestra, simplemente 'cortamos' el material grueso en una serie de capas delgadas, ", dijo el autor principal Hande Öztürk." Este proceso de corte se lleva a cabo matemáticamente sin modificar físicamente la muestra ".

Su técnica se beneficia de la óptica especial de HXN, llamadas lentes de capa multicapa (MLL), que están diseñados para enfocar los rayos X en un punto diminuto. Estos lentes crean condiciones favorables para estudiar cortes más delgados de materiales gruesos, reduciendo al mismo tiempo el tiempo de medición.

"Los MLL únicos de HXN tienen una alta eficiencia de enfoque, para que podamos dedicar mucho menos tiempo a recopilar la señal que necesitamos, "dijo Hanfei Yan, científico de HXN y coautor del artículo.

Al combinar la óptica MLL y el enfoque de cortes múltiples, Los científicos de HXN pudieron visualizar dos capas de nanopartículas separadas por solo 10 micrones, aproximadamente una décima parte del diámetro de un cabello humano, y con una resolución 100 veces más pequeña. Adicionalmente, el método redujo significativamente el tiempo necesario para obtener una sola imagen.

"Este desarrollo brinda una oportunidad emocionante para realizar imágenes en 3D en muestras que son muy difíciles de obtener con métodos convencionales, por ejemplo, una batería con una complicada celda electroquímica, ", dijo Chu. Añadió que este enfoque podría ser muy útil para una amplia variedad de aplicaciones de investigación futuras.