Долгое время это было истиной: если вы хотите изучить движение и поведение отдельных атомов, электронная микроскопия может дать вам то, чего не могут дать рентгеновские лучи. Рентгеновские лучи хорошо проникают в образцы – они позволяют вам видеть, что происходит внутри батарей, например, при их зарядке и разряде – но исторически они не могли получить пространственное изображение с такой же точностью, как электроны.

Но ученые работают над улучшением разрешения изображений с помощью рентгеновских методов. Одним из таких методов является рентгеновская томография, которая позволяет неинвазивно получать изображения внутренней части материалов. Если вы хотите отобразить тонкости микросхемы, например, или проследить нейроны в мозге, не разрушая материал, на который вы смотрите, вам нужна рентгеновская томография, и чем лучше разрешение, тем меньше явления, которые вы можете отследить. с рентгеновским лучом.

Мы надеемся, что это станет мощным инструментом для исследований в меньших и меньших масштабах.

Виктор Никитин, Аргоннская национальная лаборатория

С этой целью группа ученых во главе с Аргоннской национальной лабораторией Министерства энергетики США (DOE) создала новый метод повышения разрешения жесткой рентгеновской нанотомографии. (Нанотомография – это рентгеновское изображение в масштабе нанометров. Для сравнения, средний человеческий волос имеет ширину 100 000 нанометров.) Команда сконструировала рентгеновский микроскоп с высоким разрешением, используя мощные рентгеновские лучи усовершенствованного источника фотонов ( APS) и создали новые компьютерные алгоритмы для компенсации проблем, возникающих в крошечных масштабах. Используя этот метод, команда достигла разрешения менее 10 нанометров.

«Мы хотим иметь 10 нанометров или лучше, », – сказал Майкл Войчик, физик из оптической группы Аргоннского отделения рентгеновских исследований (XSD). « Мы разработали это для нанотомографии, потому что мы можем получать трехмерную информацию в диапазоне 10 нанометров быстрее, чем другие методы, но оптика и алгоритм применимы и к другим рентгеновским методам».

Используя собственный просвечивающий рентгеновский микроскоп (TXM) на линии 32-ID APS, включая специальные линзы, созданные Войциком в Центре наноразмерных материалов (CNM), команда смогла использовать уникальные характеристики рентгеновских лучей и получить 3D-изображения высокого разрешения примерно за час. Но даже эти изображения были не совсем с желаемым разрешением, поэтому команда разработала новый компьютерный метод, чтобы улучшить их.

Основные проблемы, которые команда стремилась исправить, – это дрейф и деформация образца. В этих малых масштабах, если образец перемещается внутри луча, даже на пару нанометров, или если рентгеновский луч вызывает даже малейшие изменения в самом образце, результатом будут артефакты движения на трехмерном изображении образца. Это может значительно затруднить последующий анализ.

Дрейф образца может быть вызван разными вещами в таком маленьком масштабе, включая изменения температуры. Для выполнения томографии образцы также должны очень точно вращаться внутри луча, а это может привести к ошибкам движения, которые выглядят как смещение образца в данных. Новый алгоритм команды Argonne устраняет эти проблемы, в результате чего трехмерное изображение становится более четким и резким.

«Мы разработали алгоритм, который компенсирует дрейф и деформацию», – сказал Виктор Никитин, научный сотрудник XSD в Аргонне. «При применении стандартных методов трехмерной реконструкции мы достигли разрешения в диапазоне 16 нанометров, но с помощью алгоритма мы снизили его до 10 нанометров».

Исследовательская группа проверила свое оборудование и технику несколькими способами. Сначала они сделали двухмерные и трехмерные изображения крошечной пластины с деталями шириной 16 нанометров, изготовленные Кенаном Ли, затем из Северо-Западного университета, а теперь в Национальной ускорительной лаборатории SLAC Министерства энергетики США. Им удалось запечатлеть крошечные дефекты в структуре пластины. Затем они протестировали его на реальном электрохимическом накопителе энергии, используя рентгеновские лучи, чтобы заглянуть внутрь и получить изображения с высоким разрешением.

Винсент де Андраде, ученый, работавший в Аргонне, работавший в области лучевых каналов на момент проведения этого исследования, является ведущим автором статьи. « Даже несмотря на выдающиеся результаты, – сказал он, – у этой новой техники есть еще много возможностей для улучшения».

Возможности этого инструмента и техники будут улучшены благодаря продолжающимся исследованиям и разработкам в области оптики и детекторов, и получат выгоду от продолжающейся модернизации APS. После завершения модернизированный объект будет генерировать высокоэнергетические рентгеновские лучи, которые будут в 500 раз ярче, чем те, которые возможны в настоящее время, а дальнейшие достижения в области рентгеновской оптики позволят получить еще более узкие лучи с более высоким разрешением.

« После модернизации мы будем стремиться к восьми нанометрам и ниже», – сказал Никитин. «Мы надеемся, что это станет мощным инструментом для исследований в меньших и меньших масштабах».

Исследование команды было опубликовано в Advanced Materials. APS и CNM – это Управление научных учреждений Министерства энергетики США в Аргонне.

Источник: https://www.anl.gov/[19459007visible