Lasst uns klein werden:Neue Argonne-Methode verbessert die Auflösung der Röntgen-Nanotomographie erheblich

Es ist seit langem eine Wahrheit:Wenn Sie die Bewegung und das Verhalten einzelner Atome untersuchen möchten, kann Ihnen die Elektronenmikroskopie geben, was Röntgenstrahlen nicht können. Röntgenstrahlen sind gut darin, in Proben einzudringen – sie ermöglichen beispielsweise zu sehen, was im Inneren von Batterien passiert, wenn sie aufgeladen und entladen werden –, aber in der Vergangenheit waren sie nicht in der Lage, räumliche Bilder mit der gleichen Präzision wie Elektronen abzubilden.

Wissenschaftler arbeiten jedoch daran, die Bildauflösung von Röntgentechniken zu verbessern. Eine solche Methode ist die Röntgentomographie, die eine nicht-invasive Bildgebung des Inneren von Materialien ermöglicht. Wenn Sie beispielsweise die Feinheiten eines Mikroschaltkreises abbilden oder die Neuronen in einem Gehirn verfolgen möchten, ohne das betrachtete Material zu zerstören, benötigen Sie eine Röntgentomographie, und je besser die Auflösung, desto kleiner die Phänomene, die Sie verfolgen können mit dem Röntgenstrahl.

Zu diesem Zweck hat eine Gruppe von Wissenschaftlern unter der Leitung des Argonne National Laboratory des US-Energieministeriums (DOE) eine neue Methode zur Verbesserung der Auflösung der Nanotomographie mit harten Röntgenstrahlen entwickelt. (Nanotomographie ist Röntgenbildgebung im Nanometerbereich. Zum Vergleich:Ein durchschnittliches menschliches Haar ist 100.000 Nanometer breit.) Das Team konstruierte ein hochauflösendes Röntgenmikroskop unter Verwendung der leistungsstarken Röntgenstrahlen der Advanced Photon Source ( APS) und erstellte neue Computeralgorithmen, um Probleme zu kompensieren, die in winzigen Maßstäben auftreten. Mit dieser Methode erreichte das Team eine Auflösung unter 10 Nanometer. Laut den Forschern sind diese Optiken und Algorithmen auch auf andere Röntgentechniken anwendbar.

Mit dem hauseigenen Transmissions-Röntgenmikroskop (TXM) an Strahllinie 32-ID des APS – einschließlich spezieller Linsen, die am Center for Nanoscale Materials (CNM) hergestellt wurden – konnte das Team die einzigartigen Eigenschaften von Röntgenstrahlen nutzen und erreichen hochauflösende 3D-Bilder in etwa einer Stunde. Aber selbst diese Bilder hatten nicht ganz die gewünschte Auflösung, also entwickelte das Team eine neue computergesteuerte Technik, um sie weiter zu verbessern.

Die Hauptprobleme, die das Team beheben wollte, waren Drift und Verformung der Probe. Wenn sich die Probe bei diesen kleinen Maßstäben innerhalb des Strahls bewegt, auch nur um ein paar Nanometer, oder wenn der Röntgenstrahl auch nur die geringste Veränderung in der Probe selbst verursacht, führt dies zu Bewegungsartefakten auf dem 3D-Bild der Probe. Dies kann eine spätere Analyse erheblich erschweren.

Eine Probendrift kann in so kleinem Maßstab durch alle möglichen Dinge verursacht werden, einschließlich Temperaturänderungen. Um eine Tomographie durchzuführen, müssen die Proben außerdem sehr genau innerhalb des Strahls gedreht werden, was zu Bewegungsfehlern führen kann, die in den Daten wie Probendriften aussehen. Der neue Algorithmus des Argonne-Teams arbeitet daran, diese Probleme zu beseitigen, was zu einem klareren und schärferen 3D-Bild führt.

Das Team testete seine Ausrüstung und Technik auf verschiedene Weise. Zunächst nahmen sie 2D- und 3D-Bilder einer winzigen Platte mit 16 Nanometer breiten Merkmalen auf, die von Kenan Li, damals von der Northwestern University und jetzt am SLAC National Accelerator Laboratory des DOE, hergestellt wurden. Sie konnten winzige Defekte in der Struktur der Platte abbilden. Anschließend testeten sie es an einem tatsächlichen elektrochemischen Energiespeichergerät, wobei sie die Röntgenstrahlen verwendeten, um in das Innere zu blicken und hochauflösende Bilder aufzunehmen. Sie sind jedoch der Meinung, dass diese Technik noch verbessert werden kann.

Die Fähigkeiten dieses Instruments und dieser Technik werden sich durch kontinuierliche Forschungs- und Entwicklungsanstrengungen im Bereich Optik und Detektoren verbessern und von der laufenden Aufrüstung des APS profitieren. Nach Fertigstellung wird die aufgerüstete Anlage hochenergetische Röntgenstrahlen erzeugen, die bis zu 500-mal heller sind als die derzeit möglichen, und weitere Fortschritte in der Röntgenoptik werden noch schmalere Strahlen mit höherer Auflösung ermöglichen. Nach dem Upgrade werden sie auf acht Nanometer und darunter drängen, in der Hoffnung, dass dies ein leistungsfähiges Werkzeug für die Forschung in immer kleineren Maßstäben sein wird.