Los físicos de HZB han desarrollado un proceso para generar lentes mejoradas para microscopía de rayos X que brindan tanto una mejor resolución como un mayor rendimiento. Para lograr esto, fabrican ópticas de rayos X tridimensionales para difracción de volumen que consisten en placas de zona de Fresnel apiladas en chip. Estas nanoestructuras tridimensionales enfocan los rayos X incidentes de manera mucho más eficiente y permiten una resolución espacial mejorada por debajo de diez nanómetros.

En el futuro, este tipo de óptica de rayos X novedosa debería estar disponible para los usuarios en la fuente de sincrotrón BESSY II. Entre muchas aplicaciones, la resolución mejorada permite investigaciones sobre características ultraestructurales en muestras biológicas, así como estudios sobre nanoestructuras en nuevos sistemas de baterías.

La longitud de onda de la luz limita la resolución en microscopía. La luz visible puede resolver estructuras del orden de un cuarto de micrón, mientras que la longitud de onda considerablemente más corta de los rayos X puede, en principio, resolver características hasta unos pocos nanómetros. Además, Los rayos X también pueden penetrar más profundamente en las muestras, de modo que se puedan investigar las estructuras internas de las muestras tridimensionales. Sin embargo, aunque la luz en la región visible se puede enfocar usando lentes refractivos hechos de vidrio, este enfoque no funciona con rayos X suaves. Para utilizar rayos X para la obtención de imágenes, es necesario utilizar placas de zona de Fresnel, que están hechos de anillos concéntricos compuestos de metales como níquel u oro. Estos anillos metálicos difractan los rayos X de modo que las contribuciones de las diferentes zonas se superponen constructivamente en el punto focal. El resultado es que las placas de zona de Fresnel actúan como lentes de objetivo para enfocar los rayos X y pueden emplearse en microscopios de rayos X. La resolución espacial alcanzable depende del ancho de anillo más pequeño que se pueda fabricar, que hasta ahora ha sido de unos diez nanómetros.

Una mejora de la resolución espacial por debajo de diez nanómetros plantea problemas tanto tecnológicos como físicos fundamentales. Por un lado, Es tecnológicamente extremadamente desafiante fabricar estructuras de zonas periódicas que tengan un ancho de anillo de menos de diez nanómetros y una altura de unos pocos cientos de nanómetros. Por otra parte, Los cálculos teóricos indican que estos tipos de ópticas con un ancho de anillo decreciente serían cada vez más ineficientes y simplemente recogerían muy poca luz. Este dilema se puede resolver con la ayuda de la difracción de volumen. Sin embargo, el enfoque requiere características de zona que simultáneamente tienen un ángulo de inclinación creciente y una altura de zona decreciente versus radio, es decir, óptica de rayos X estructurada tridimensional. "Teóricamente, aunque, casi el 100 por ciento de la luz incidente podría utilizarse para la imagen, "explica el Dr. Stephan Werner del Grupo de Investigación de Microscopía del Instituto HZB de Materias Blandas y Materiales Funcionales.

En un primer paso hacia la óptica de rayos X tridimensional, Los expertos de HZB han fabricado tres capas de placas de zona de Fresnel casi perfectamente una encima de la otra. "Hemos desarrollado un proceso que permite el apilado en chip de placas de zona de Fresnel con una precisión de menos de dos nanómetros, "dice el Dr. Gerd Schneider, quien dirige el Grupo de Investigación en Microscopía. Las mediciones iniciales demuestran que esta estructura captura considerablemente más luz para la obtención de imágenes que las placas de zona de Fresnel convencionales. "Si logramos colocar cinco capas de placas de zona una encima de la otra, cuál es nuestro próximo objetivo, Podremos utilizar una fracción mucho mayor de la luz incidente de rayos X para la obtención de imágenes de la que ha estado disponible hasta ahora. "dice Werner.

El equipo de HZB informa sobre el desarrollo de la novedosa óptica de rayos X en la revista técnica. Nano investigación . Los usuarios de BESSY II también podrían beneficiarse pronto de este avance. La microscopía de rayos X es una técnica importante para una amplia gama de temas de investigación, por ejemplo en las ciencias de la vida para investigar orgánulos celulares, virus y nanopartículas dentro de las células, así como para la ciencia de los materiales y la investigación energética para estudiar nuevos enfoques de almacenamiento de energía electroquímica in situ.