La tomografía permite representar en 3D el interior de una amplia gama de objetos, desde estructuras celulares hasta aparatos técnicos. Investigadores del Paul Scherrer Institut (PSI) han ideado ahora un método que abre nuevas escalas de imágenes tomográficas y, por lo tanto, hará posible el estudio detallado de volúmenes representativos de muestras de ciencia de materiales y tejidos biológicos en el futuro. Hasta ahora, los detalles relevantes en una escala de unos pocos nanómetros solo eran visibles con métodos que requerían muestras muy delgadas.

Con la ayuda de una configuración de prototipo especial en la fuente de luz suiza (SLS) de PSI, los investigadores ahora han logrado una resolución 3D de dieciséis nanómetros en una muestra de prueba de vidrio nanoporoso, una hazaña incomparable para la tomografía de rayos X. La medición es no destructiva, por lo que permite estudiar pequeños detalles en el contexto de su entorno o analizar mayores volúmenes de muestra de tal manera que la información obtenida esté menos influenciada por las variaciones inducidas localmente. La resolución de 16 nm se logró en un prototipo del instrumento OMNY, que todavía está en construcción. La versión final permitirá a los investigadores enfriar la muestra durante el experimento para evitar daños en la muestra inducidos por rayos X.

En todos los días de la vida, en su mayoría, conocemos las imágenes de rayos X como un procedimiento médico que permite a los médicos ver el interior del cuerpo humano sin dañar al paciente. Hoy en día, sin embargo, Los diferentes métodos de obtención de imágenes desempeñan un papel en una amplia gama de campos de investigación. donde permiten obtener imágenes tridimensionales para una amplia gama de aplicaciones, que van desde tejido biológico, dispositivos técnicos como catalizadores, fósiles a obras de arte antiguas. Investigadores del Paul Scherrer Institut han desarrollado un instrumento que hace posible la tomografía de rayos X con una resolución 3D sin precedentes. Está especializado para estudios en los que los investigadores están interesados ​​en detalles de unos pocos nanómetros de tamaño, como las estructuras finas de los componentes de las celdas o los catalizadores y baterías modernos. Hasta ahora, detalles tan finos solo podían hacerse visibles con la ayuda de microscopios electrónicos, que no pueden mostrar el interior de las muestras estudiadas a menos que se utilicen muestras ultrafinas o seccionadas. Como consecuencia, la preparación o el método de medición podría causar daños a las estructuras de interés. Es más, era difícil mostrar las estructuras, incluido su entorno real. Para muestras gruesas, La tomografía de rayos X duros se limitó a una resolución de alrededor de 150 nanómetros.

Durante muchos años, La tomografía de rayos X se ha realizado en varias fuentes de luz de sincrotrón, como el Swiss Light Source en el PSI. Este tipo de imágenes implica examinar el objeto desde diferentes direcciones con luz de rayos X de tal manera que se genere una imagen fluoroscópica, la llamada radiografía, cada vez, muy parecido a una tomografía computarizada de rayos X médica. Con la ayuda de programas informáticos especiales, los investigadores combinan estas imágenes para formar una imagen tridimensional, donde la distribución del material es visible en tres dimensiones.

Alta resolución gracias al método de imagen alternativo

Los investigadores del PSI ahora han optado por un enfoque alternativo para lograr una resolución considerablemente más alta. La simple creación de una radiografía como imagen fluoroscópica restringe la resolución que se puede lograr. Por lo tanto, el método presentado aquí, Imágenes pticográficas (demostradas por primera vez en su forma moderna con rayos X en el PSI en 2010), aprovecha el hecho de que la luz de rayos X no solo se debilita en su camino a través de la muestra estudiada, pero también parcialmente dispersos. Midiendo exactamente en qué direcciones se dispersa la cantidad y también la poca luz, se pueden deducir las estructuras de la muestra. Para medir un solo patrón de dispersión, los investigadores solo iluminan un área pequeña de la muestra y repiten la medición en diferentes puntos de la muestra hasta que se haya examinado toda la muestra. En el final, de cientos de patrones de dispersión ptychography proporciona un único, Proyección de alta resolución que corresponde a una imagen de radiografía de alta resolución. Como con todos los métodos de tomografía, la muestra también se rota en pequeños incrementos y se estudia desde diferentes direcciones.

Posicionamiento de precisión nanométrica

Los investigadores probaron su instrumento en una muestra artificial primero:un pequeño trozo de vidrio, seis micrómetros de diámetro, que contenía poros recubiertos por una fina capa de metal. Durante la medición, pudieron lograr una resolución espacial de dieciséis nanómetros y lograr un récord mundial. "Estamos hablando de una escala de imágenes que cierra la brecha entre la tomografía de rayos X convencional y la tomografía electrónica. La resolución es muy alta, pero el espesor de la muestra y, por tanto, el volumen estudiado también es comparativamente grande. El principal desafío de la instrumentación es el hecho de que la muestra tenía que posicionarse con gran precisión, "subraya Mirko Holler, el responsable del proyecto. "Esto se debe a que la precisión del posicionamiento de la muestra tenía que ser mayor que la resolución para lograrlo. Por lo tanto, teníamos que conocer la posición de la muestra en unos pocos nanómetros durante toda la medición, lo que plantea nuevas dificultades en un sistema de imágenes. "El posicionamiento y la medición de posición extremadamente precisos requirieron enfoques experimentales novedosos que se desarrollaron en PSI y ahora se están utilizando en muchas fuentes de luz de sincrotrón en todo el mundo.

"Solo un prototipo"

Este récord mundial se logró con un instrumento que es "realmente solo un prototipo", sin embargo, debido a su éxito, el acceso a este prototipo se ofrece a los usuarios y tiene una gran demanda. El sistema final está actualmente en construcción y su diseño se beneficia de la experiencia adquirida aquí. Una característica clave del instrumento final, llamado OMNY (tOMography Nano crYo), es la posibilidad de enfriar significativamente la muestra durante la medición. "La radiación de rayos X daña las muestras durante la medición, de modo que cambian gradualmente e incluso se deforman. Como resultado, la resolución de la medición está limitada por esta dosis de radiación, especialmente con objetos sensibles como materiales biológicos, "explica Holler." Este efecto se reduce enormemente a través del enfriamiento, lo que significa que también podemos aprovechar las ventajas del método para realizar mediciones en materiales sensibles a la radiación ".

Hasta que se complete el nuevo microscopio, el prototipo seguirá utilizándose para estudios científicos junto con los usuarios del SLS. Hasta ahora, por ejemplo, materiales como tiza, cemento, Las células solares y los fósiles se han estudiado en colaboración con diversas instituciones de investigación.