Ha sido una verdad durante mucho tiempo:si quieres estudiar el movimiento y el comportamiento de átomos individuales, La microscopía electrónica puede brindarle lo que los rayos X no pueden. Los rayos X son buenos para penetrar en las muestras; le permiten ver lo que sucede dentro de las baterías a medida que se cargan y descargan. por ejemplo, pero históricamente no han podido obtener imágenes espaciales con la misma precisión que los electrones.

Pero los científicos están trabajando para mejorar la resolución de imagen de las técnicas de rayos X. Uno de esos métodos es la tomografía de rayos X, que permite obtener imágenes no invasivas del interior de los materiales. Si desea mapear las complejidades de un microcircuito, por ejemplo, o rastrear las neuronas en un cerebro sin destruir el material que está mirando, necesitas tomografía de rayos X, y cuanto mejor sea la resolución, cuanto más pequeños son los fenómenos que se pueden rastrear con el haz de rayos X.

Con ese fin, Un grupo de científicos dirigido por el Laboratorio Nacional Argonne del Departamento de Energía de los EE. UU. (DOE) ha creado un nuevo método para mejorar la resolución de la nanotomografía de rayos X duros. (La nanotomografía son imágenes de rayos X en la escala de nanómetros. A modo de comparación, un cabello humano promedio es 100, 000 nanómetros de ancho). El equipo construyó un microscopio de rayos X de alta resolución utilizando los potentes haces de rayos X de la Fuente de Fotones Avanzada (APS) y creó nuevos algoritmos informáticos para compensar los problemas encontrados a escalas diminutas. Usando este método, el equipo logró una resolución por debajo de los 10 nanómetros.

"Queremos estar a 10 nanómetros o mejor, "dijo Michael Wojcik, físico del grupo de óptica de la División de Ciencias de Rayos X de Argonne (XSD). "Desarrollamos esto para la nanotomografía porque podemos obtener información 3D en el rango de 10 nanómetros más rápido que otros métodos, pero la óptica y el algoritmo también son aplicables a otras técnicas de rayos X ".

Utilizando el microscopio de rayos X de transmisión (TXM) interno en la línea de luz 32-ID del APS, incluidas las lentes especiales diseñadas por Wojcik en el Centro de materiales a nanoescala (CNM), el equipo pudo utilizar las características únicas de X- rayos y lograr imágenes 3D de alta resolución en aproximadamente una hora. Pero incluso esas imágenes no tenían la resolución deseada, por lo que el equipo ideó una nueva técnica impulsada por computadora para mejorarlos aún más.

Los principales problemas que el equipo trató de corregir son la deriva y la deformación de la muestra. A estas pequeñas escalas, si la muestra se mueve dentro del haz, incluso por un par de nanómetros, o si el haz de rayos X provoca incluso el más mínimo cambio en la propia muestra, el resultado serán artefactos de movimiento en la imagen 3D de la muestra. Esto puede dificultar mucho el análisis posterior.

Una deriva de la muestra puede ser causada por todo tipo de cosas en una escala tan pequeña, incluidos los cambios de temperatura. Para realizar tomografía, las muestras también deben rotarse con mucha precisión dentro del haz, y eso puede dar lugar a errores de movimiento que parecen desviaciones de muestra en los datos. El nuevo algoritmo del equipo de Argonne trabaja para eliminar estos problemas, resultando en una imagen 3D más clara y nítida.

"Desarrollamos un algoritmo que compensa la deriva y la deformación, "dijo Viktor Nikitin, investigador asociado en XSD en Argonne. "Al aplicar métodos de reconstrucción 3D estándar, logramos una resolución en el rango de 16 nanómetros, pero con el algoritmo lo redujimos a 10 nanómetros ".

El equipo de investigación probó su equipo y técnica de varias formas. Primero capturaron imágenes en 2D y 3D de una placa diminuta con características de 16 nanómetros de ancho fabricadas por Kenan Li, luego de la Northwestern University y ahora en el SLAC National Accelerator Laboratory del DOE. Pudieron obtener imágenes de pequeños defectos en la estructura de la placa. Luego lo probaron en un dispositivo de almacenamiento de energía electroquímica real, usando los rayos X para mirar adentro y capturar imágenes de alta resolución.

Vincent de Andrade, un científico de líneas de luz en Argonne en el momento de esta investigación, es el autor principal del artículo. "Aunque estos resultados son excepcionales, " él dijo, "Todavía hay mucho espacio para que esta nueva técnica mejore".

Las capacidades de este instrumento y técnica mejorarán con un esfuerzo continuo de investigación y desarrollo en óptica y detectores, y se beneficiará de la actualización en curso del APS. Cuando esté completo, la instalación mejorada generará haces de rayos X de alta energía que son hasta 500 veces más brillantes que los posibles actualmente, y los avances adicionales en la óptica de rayos X permitirán haces aún más estrechos con mayor resolución.

"Después de la actualización, presionaremos por ocho nanómetros o menos, ", dijo Nikitin." Esperamos que esta sea una herramienta poderosa para la investigación a escalas cada vez más pequeñas ".

La investigación del equipo se publicó en Materiales avanzados .