Avance Argonne: Nanotomografía de rayos X alcanza resolución sin precedentes

Ha sido una verdad por mucho tiempo: si quieres estudiar el movimiento y comportamiento de átomos individuales, la microscopía electrónica te da lo que los rayos X no pueden. Los rayos X son buenos penetrando en muestras — te permiten ver qué pasa dentro de baterías mientras se cargan y descargan, por ejemplo — pero históricamente no han podido imaginar espacialmente con la misma precisión que los electrones.

Mejorando resolución de técnicas de rayos X: nanotomografía

Pero los científicos están trabajando para mejorar la resolución de imagen de técnicas de rayos X. Uno de esos métodos es la tomografía de rayos X, que permite imagen no invasiva del interior de materiales. Si quieres mapear las complejidades de un microcircuito, por ejemplo, o rastrear neuronas en un cerebro sin destruir el material que estás mirando, necesitas tomografía de rayos X, y mejor la resolución, más pequeños los fenómenos que puedes rastrear con el haz de rayos X.

Nuevo método: microscopio rayos X alta resolución + algoritmos compensan deriva/deformación

Para ese fin, un grupo de científicos liderado por el Laboratorio Nacional Argonne del Departamento de Energía de EE. UU. (DOE) ha creado un nuevo método para mejorar la resolución de nanotomografía de rayos X duros. (Nanotomografía es imagen de rayos X a escala de nanómetros. Para comparación, un cabello humano promedio tiene 100,000 nanómetros de ancho.) El equipo construyó un microscopio de rayos X de alta resolución usando los potentes haces de rayos X de la Fuente de Fotones Avanzada (APS) y creó nuevos algoritmos computacionales para compensar problemas encontrados a escalas diminutas. Usando este método, el equipo logró una resolución por debajo de 10 nanómetros. Según los investigadores, estas ópticas y algoritmos son aplicables a otras técnicas de rayos X también.

Microscopio TXM interno + lentes especiales CNM: imágenes 3D alta resolución en ~1 hora

Usando el Microscopio de Rayos X de Transmisión (TXM) interno en la línea de haz 32-ID del APS — incluyendo lentes especiales fabricadas 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 estaban del todo en la resolución deseada, así que el equipo ideó una nueva técnica impulsada por computadora para mejorarlas aún más.

Problemas principales: deriva de muestra y deformación a escala nanométrica

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

Una deriva de muestra puede ser causada por todo tipo de cosas a esa escala tan pequeña, incluyendo cambios de temperatura. Para realizar tomografía, las muestras también deben rotarse muy precisamente dentro del haz, y eso puede llevar a errores de movimiento que parecen derivas de muestra en los datos. El nuevo algoritmo del equipo de Argonne trabaja para remover estos problemas, resultando en una imagen 3D más clara y nítida.

Validación: placa con características 16nm y dispositivo electroquímico real

El equipo probó su equipo y técnica de varias formas. Primero, capturaron imágenes 2D y 3D de una placa diminuta con características de 16 nanómetros fabricada por Kenan Li, entonces de la Universidad Northwestern y ahora en el Laboratorio Nacional Acelerador SLAC del DOE. Pudieron imaginar diminutos defectos en la estructura de la placa. Luego lo probaron en un dispositivo real de almacenamiento de energía electroquímica, usando los rayos X para mirar dentro y capturar imágenes de alta resolución. Sin embargo, sienten que aún hay espacio para que esta técnica mejore.

Futuro: upgrade APS 500x más brillo, objetivo <8 nm

Las capacidades de este instrumento y técnica mejorarán con un esfuerzo continuo de I+D en ópticas y detectores y se beneficiarán de la actualización en progreso 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 actualmente posibles, y avances adicionales en ópticas de rayos X permitirán haces aún más estrechos con mayor resolución. Después de la actualización, buscarán ocho nanómetros y menos, esperando que esto sea una herramienta poderosa para investigación a escalas cada vez más pequeñas.