Seamos pequeños:el nuevo método Argonne mejora enormemente la resolución de la nanotomografía de rayos X

Ha sido una verdad durante mucho tiempo:si desea estudiar el movimiento y el comportamiento de los 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 mientras se cargan y descargan, por ejemplo), pero históricamente no han podido generar 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 estos 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, necesita una tomografía de rayos X, y cuanto mejor sea la resolución, más pequeños serán los fenómenos que puede 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 EE. UU. (DOE) ha creado un nuevo método para mejorar la resolución de la nanotomografía de rayos X duros. (La nanotomografía es una imagen de rayos X en la escala de nanómetros. A modo de comparación, un cabello humano promedio tiene 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 pequeña escala. Usando este método, el equipo logró una resolución por debajo de los 10 nanómetros. Según los investigadores, esta óptica y algoritmos también son aplicables a otras técnicas de rayos X.

Usando el microscopio de rayos X de transmisión (TXM) interno en la línea de luz 32-ID del APS, incluidos lentes especiales creados en el Centro de materiales a nanoescala (CNM), el equipo pudo usar las características únicas de los rayos X 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 computarizada para mejorarlas aún más.

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

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

El equipo probó su equipo y técnica de varias maneras. Primero, capturaron imágenes 2D y 3D de una placa diminuta con características de 16 nanómetros de ancho fabricadas por Kenan Li, entonces de la Universidad Northwestern y ahora en el Laboratorio Nacional Acelerador SLAC del DOE. Pudieron visualizar pequeños defectos en la estructura de la placa. Luego lo probaron en un dispositivo de almacenamiento de energía electroquímica real, utilizando los rayos X para observar el interior y capturar imágenes de alta resolución. Sin embargo, sienten que todavía hay espacio para que esta técnica mejore.

Las capacidades de este instrumento y técnica mejorarán con un esfuerzo continuo de investigación y desarrollo en óptica y detectores y se beneficiarán de la actualización en curso del APS. Cuando esté completa, 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 una resolución más alta. Después de la actualización, impulsarán ocho nanómetros o menos, con la esperanza de que sea una herramienta poderosa para la investigación a escalas cada vez más pequeñas.