Colaboradores de Photon Sciences y Sustainable Energy Technologies respaldan el nuevo microscopio de rayos X de transmisión (TXM) en la National Synchrotron Light Source de Brookhaven. Desde la izquierda:Yu-chen Karen Chen-Wiegart, Can Erdonmez, Jun Wang (líder del equipo), y Christopher Eng.
(Phys.org) - Un nuevo microscopio de rayos X sondea las complejidades internas de materiales más pequeños que las células humanas y crea imágenes en 3D de alta resolución sin igual. Al integrar calibraciones automáticas únicas, Los científicos del Laboratorio Nacional Brookhaven del Departamento de Energía de EE. UU. pueden capturar y combinar miles de imágenes con mayor velocidad y precisión que cualquier otro microscopio. La observación directa de estructuras que abarcan 25 nanómetros ofrecerá avances fundamentales en muchos campos, incluida la investigación energética, Ciencias Ambientales, biología, y defensa nacional.
Este innovador microscopio de rayos X de transmisión de campo completo (TXM), financiado por la Ley de Recuperación y Reinversión Estadounidense, fue desarrollado y encargado en la fuente de luz sincrotrón nacional de Brookhaven Lab (NSLS), que proporciona la fuente de rayos X necesaria para capturar imágenes a nanoescala. Un nuevo artículo publicado en abril de 2012 en Applied Physics Letters detalla el éxito experimental de un sistema revolucionario que combina rápidamente imágenes 2D tomadas desde todos los ángulos para formar construcciones digitales 3D.
"De hecho, podemos ver la estructura 3D interna de los materiales a nanoescala, ”Dijo el físico de Brookhaven, Jun Wang, autor principal del artículo y jefe del equipo que propuso por primera vez este TXM. "El dispositivo funciona a la perfección, y supera varios obstáculos importantes para los microscopios de rayos X. Estamos entusiasmados de ver la forma en que esta tecnología impulsará la investigación ".
Construyendo una dimensión extra
El equipo de Wang examinó, por ejemplo, un electrodo de 20 micrómetros de una batería de iones de litio, tan delgado como un cabello humano. La interacción interna de poros y partículas determina el rendimiento energético de la batería, y examinar esa actividad requiere un conocimiento preciso de la estructura a nanoescala.
El equipo de Wang se llevó 1, 441 imágenes en 2D del electrodo mientras una máquina giraba la pequeña muestra de material para capturar todos los ángulos posibles. Entonces, el desafío pasa a ser convertir esas imágenes separadas en una única estructura 3D, una en la que cada nanómetro marca la diferencia. En esta escala, las oscilaciones habituales de una micra son similares en escala a tomar un retrato y hacer que el sujeto salte varios pies hacia cada lado.
Esta reconstrucción en 3D de un electrodo de batería de iones de litio, compuesto por 1, 441 imágenes individuales capturadas y alineadas por TXM, revela detalles estructurales a nanoescala para ayudar a guiar la investigación energética futura.
Antes de este nuevo sistema, los científicos tuvieron que alinear manualmente cada imagen o usar software para interpretar lentamente los cambios. Esto tuvo dos efectos limitantes importantes en el proceso:primero, la muestra debe tener características internas nítidas o estar marcada para proporcionar pautas, que puede limitar los tipos de material; y segundo, la alineación manual requiere tanto tiempo que el recuento total de imágenes alcanza su punto máximo en cientos. TXM de Brookhaven cambia eso.
Por primera vez, la muestra se monta en la parte superior de una plataforma con tres sensores que miden los cambios nanométricos en cualquier dirección a medida que la batería gira y el microscopio toma fotografías. La computadora que registra las imágenes, después de la calibración con una esfera de oro, luego compensa automáticamente cualquier cambio y ensambla con precisión las imágenes en la construcción tridimensional final. Todo el proceso toma solo cuatro horas, y eso se debe más a los rayos X disponibles de NSLS que al microscopio o la computadora.
El futuro del 3D
Fuente de luz sincrotrón nacional II de Brookhaven (NSLS-II), programado para estar en línea en 2015, explotará las capacidades de este TXM en una escala aún más radical. Imagine que la batería de iones de litio tomó 10, 000 segundos en NSLS, pero con el flujo de haz más alto de la nueva fuente de luz, o brillo de rayos X, será 1, 000 veces más rápido, reduciendo ese tiempo a solo 10 segundos.
Además de la observación estructural directa, el TXM también promoverá la comprensión elemental y química de los materiales. Mantener un aumento constante durante la obtención de imágenes espectroscópicas, que examina las formas únicas en que la materia interactúa con la radiación, los científicos podrán identificar las configuraciones químicas individuales dentro de las muestras. Actualmente, el equipo de Wang está realizando una investigación para demostrar esta capacidad.
Nanoimagen para la industria y la seguridad nacional
El TXM fue comprado con el apoyo de la Ley de Reinversión y Recuperación Estadounidense, diseñado para estimular la actividad económica y crear puestos de trabajo. Xradia, una empresa con sede en California que se especializa en microscopía de rayos X 3D, construyó el nuevo dispositivo. Los físicos de Brookhaven Lab trabajaron en estrecha colaboración con los ingenieros de Xradia, explicando sus objetivos de investigación específicos y sus necesidades de desempeño.
“Esta ha sido una colaboración muy exitosa, y Xradia ha sido nuestro socio fundamental en este proyecto, ”Dijo Wang. "Seguimos en contacto frecuente para proporcionarles comentarios sobre el rendimiento del microscopio, para que se puedan realizar futuras innovaciones en el diseño ".
Si bien el enfoque para el nuevo TXM probablemente estará en combustibles de energía alternativa y soluciones de almacenamiento, los conocimientos fundamentales ya se han aplicado a las estructuras de las raíces de las plantas, catalizadores, y electrónica avanzada. El éxito demostrado del sistema de imágenes 3D ya ha atraído el interés de los usuarios comerciales, con grandes corporaciones como UOP e IBM programando tiempo en el TXM. La Agencia de Proyectos de Investigación Avanzada de Defensa (DARPA) también planea usar el nuevo microscopio para sondear las intrincadas estructuras de los microchips importados en interés de la seguridad nacional.
