Los microscopios hacen visible lo invisible. Y en comparación con los microscopios ópticos convencionales, Los microscopios de rayos X de transmisión (TXM) pueden ver muestras con una resolución mucho mayor, revelando detalles extraordinarios. Investigadores de una amplia gama de campos científicos utilizan TXM para ver la composición estructural y química de sus muestras, desde células biológicas hasta materiales de almacenamiento de energía.

Ahora, Los científicos de National Synchrotron Light Source II (NSLS-II), una instalación para usuarios de la Oficina de Ciencias del Departamento de Energía de EE. UU. en el Laboratorio Nacional Brookhaven del DOE, han desarrollado un TXM que puede obtener imágenes de muestras 10 veces más rápido de lo que era posible anteriormente. Su investigación se publica en Letras de física aplicada .

"Hemos mejorado significativamente la velocidad de los experimentos de microscopía de rayos X, "dijo Wah-Keat Lee, científico principal de la línea de rayos de imágenes de rayos X de campo completo (FXI) de NSLS-II, donde se construyó el microscopio. En FXI, Lee y sus colegas redujeron el tiempo que tarda un TXM en obtener imágenes de muestras en 3-D de más de 10 minutos a solo un minuto, mientras sigue produciendo imágenes con una resolución 3-D excepcional, por debajo de 50 nanómetros, o 50 mil millonésimas de metro. "Este avance permitirá a los científicos visualizar sus muestras mucho más rápido en FXI que en instrumentos similares en todo el mundo, "Dijo Lee.

Además de reducir el tiempo que lleva completar un experimento, un TXM más rápido puede recopilar datos más valiosos de las muestras.

"El santo grial de casi todas las técnicas de imagen es poder ver una muestra en 3-D y en tiempo real, "Dijo Lee." La velocidad de estos experimentos es relevante porque queremos observar cambios que ocurren rápidamente. Hay muchos cambios estructurales y químicos que ocurren en diferentes escalas de tiempo, para que un instrumento más rápido pueda ver mucho más. Por ejemplo, tenemos la capacidad de rastrear cómo ocurre la corrosión en un material, o qué tan bien están funcionando varias partes de una batería ".

Para ofrecer estas capacidades en FXI, el equipo necesitaba construir un TXM utilizando los últimos desarrollos en nanoposicionamiento ultrarrápido (un método para mover una muestra mientras se limitan las vibraciones), detección (un método de seguimiento del movimiento de la muestra), y control. El nuevo microscopio fue desarrollado internamente en Brookhaven Lab a través de un esfuerzo de colaboración entre los ingenieros, personal de la línea de luz, y equipos de investigación y desarrollo en NSLS-II.

Los investigadores dijeron que el desarrollo de capacidades ultrarrápidas en FXI también dependía en gran medida del diseño avanzado de NSLS-II.

"Nuestra capacidad para hacer FXI más de 10 veces más rápido que cualquier otro instrumento en el mundo también se debe a la poderosa fuente de rayos X en NSLS-II, ", Dijo Lee." En NSLS-II, tenemos dispositivos llamados wigglers de amortiguación, que se utilizan para lograr los haces de electrones muy pequeños para la instalación. Afortunadamente para nosotros estos dispositivos también producen una gran cantidad de rayos X. La cantidad de estos poderosos rayos X se relaciona directamente con la velocidad de nuestros experimentos ".

Usando las nuevas capacidades en FXI, los investigadores obtuvieron imágenes del crecimiento de dendritas de plata en una astilla de cobre. En un solo minuto la línea de luz capturó 1060 imágenes bidimensionales de la muestra y las reconstruyó para formar una instantánea tridimensional de la reacción. Repitiendo esto, los investigadores pudieron formar un minuto a minuto, Animación tridimensional de la reacción química.

"Elegimos fotografiar esta reacción porque demuestra el poder de FXI, "dijo Mingyuan Ge, autor principal de la investigación y científico de NSLS-II. "La reacción es bien conocida, pero nunca se ha visualizado en 3-D con un tiempo de adquisición tan rápido. Además, nuestra resolución espacial es de 30 a 50 veces más fina que la microscopía óptica utilizada en el pasado ".

Con la finalización de esta investigación, FXI ha comenzado sus operaciones de usuario general, dar la bienvenida a investigadores de todo el mundo para que utilicen las capacidades avanzadas de la línea de luz.