Los físicos de la Universidad de California en San Diego han desarrollado un nuevo tipo de microscopio de rayos X que puede penetrar profundamente en materiales como la legendaria visión de rayos X de Superman y ver detalles diminutos a la escala de un solo nanómetro. o una mil millonésima parte de un metro.
Pero eso no es todo. ¿Qué tiene de inusual este nuevo, nanoescala El microscopio de rayos X es que las imágenes no son producidas por una lente, pero por medio de un poderoso programa de computadora.
Los científicos informan en un artículo publicado en la primera edición en línea de esta semana del procedimientos de la Academia Nacional de Ciencias que este programa de computadora, o algoritmo, es capaz de convertir los patrones de difracción producidos por los rayos X que rebotan en las estructuras a nanoescala en imágenes que se pueden resolver.
"Las matemáticas detrás de esto son algo complicadas, "dijo Oleg Shpyrko, un profesor asistente de física en UC San Diego que encabezó el equipo de investigación. "Pero lo que hicimos fue mostrar que, por primera vez, podemos obtener imágenes de dominios magnéticos con precisión nanométrica. En otras palabras, podemos ver la estructura magnética a nivel de nanoescala sin usar lentes ".
Una aplicación inmediata de este microscopio de rayos X sin lentes es el desarrollo de dispositivos de almacenamiento de datos para computadoras que pueden contener más memoria.
"Esto ayudará a la investigación en unidades de disco duro donde los bits magnéticos de datos en la superficie del disco actualmente tienen un tamaño de solo 15 nanómetros, "dijo Eric Fullerton, coautor del artículo y director del Centro de Investigación de Grabación Magnética de UC San Diego. "Esta nueva capacidad para obtener imágenes directamente de los bits será invaluable a medida que nos esforzamos por almacenar aún más datos en el futuro".
El desarrollo también debería ser inmediatamente aplicable a otras áreas de la nanociencia y la nanotecnología.
"Para promover la nanociencia y la nanotecnología, tenemos que ser capaces de comprender cómo se comportan los materiales a nanoescala, ", dijo Shpyrko." Queremos ser capaces de fabricar materiales de forma controlada para construir dispositivos magnéticos para el almacenamiento de datos o, en biología o química, para poder manipular la materia a nanoescala. Y para hacer eso tenemos que poder ver a nanoescala. Esta técnica te permite hacer eso. Te permite mirar materiales con rayos X y ver detalles a nanoescala ".
"Porque no hay lentes en el camino, poner un imán voluminoso alrededor de la muestra o agregar equipo para cambiar el entorno de la muestra de alguna otra manera durante la medición es mucho más fácil con este método que si tuviéramos que usar una lente, "Añadió Shpyrko.
Ashish Tripathi, un estudiante de posgrado en el laboratorio de Shpyrko, desarrolló el algoritmo que servía como lente del microscopio de rayos X. Funcionó, en principio, algo así como el programa de computadora que agudizó las imágenes inicialmente borrosas del Telescopio Espacial Hubble, que fue causada por una aberración esférica en el espejo del telescopio antes de que el telescopio fuera reparado en el espacio. Los astrónomos que trabajan en telescopios terrestres que utilizan óptica adaptativa emplean un concepto similar, espejos móviles controlados por computadoras, para eliminar las distorsiones en sus imágenes de la luz de la estrella parpadeante que se mueve a través de la atmósfera.
Pero la técnica que desarrolló Tripathi era completamente nueva. "Hubo mucha simulación involucrada en el desarrollo; fue mucho trabajo, "dijo Shpyrko.
Para probar la capacidad de su microscopio para penetrar y resolver detalles a nanoescala, los físicos hicieron una película en capas compuesta por los elementos gadolinio y hierro. Estas películas se están estudiando ahora en la industria de la tecnología de la información para desarrollar una mayor capacidad, menor, y unidades de disco y memoria de computadora más rápidas.
"Ambos son materiales magnéticos y si los combinas en una estructura resulta que forman espontáneamente dominios magnéticos a nanoescala, "Shpyrko." En realidad, se autoensamblan en bandas magnéticas ".
Bajo el microscopio de rayos X, la película en capas de gadolinio y hierro se parece a un postre de baklava que se arruga magnéticamente para formar una serie de dominios magnéticos, que aparecen como los remolinos repetidos de las crestas en las huellas dactilares. Ser capaz de resolver esos dominios a nanoescala por primera vez es de vital importancia para los ingenieros informáticos que buscan meter más datos en discos duros cada vez más pequeños.
Como los materiales están hechos con dominios magnéticos cada vez más pequeños, o patrones de huellas dactilares cada vez más delgados, se pueden almacenar más datos en un espacio más pequeño dentro de un material. "La forma en que podemos hacer eso es reducir el tamaño de los bits magnéticos, "Dijo Shpyrko.
La técnica también debería encontrar muchos otros usos fuera de la ingeniería informática.
"Al ajustar la energía de los rayos X, también podemos usar la técnica para observar diferentes elementos dentro de los materiales, que es muy importante en química, ", agregó." En biología, se puede utilizar para crear imágenes de virus, células y diferentes tipos de tejidos con una resolución espacial que es mejor que la resolución disponible con luz visible ".
Los científicos utilizaron la fuente de fotones avanzada, la fuente más brillante de rayos X coherentes en el hemisferio occidental, en el Laboratorio Nacional Argonne de la Universidad de Chicago cerca de Chicago para llevar a cabo su proyecto de investigación, que fue financiado por el Departamento de Energía de EE. UU. Además de Tripathi, Shpyrko y Fullerton, profesor de ingeniería eléctrica e informática en UC San Diego, otros coautores del artículo incluyen a los estudiantes graduados de física de UC San Diego Jyoti Mohanty, Sebastian Dietze y Erik Shipton, así como los físicos Ian McNulty y SangSoo Kim del Laboratorio Nacional Argonne.
