Argonne-Durchbruch: Röntgen-Nanotomografie erreicht beispiellose Auflösung

Es ist seit langem eine Wahrheit: Wenn man die Bewegung und das Verhalten einzelner Atome studieren will, kann Elektronenmikroskopie das liefern, was Röntgenstrahlen nicht können. Röntgenstrahlen sind gut darin, in Proben einzudringen – sie erlauben beispielsweise zu sehen, was in Batterien während Laden und Entladen passiert – aber historisch konnten sie nicht mit derselben Präzision räumlich abbilden wie Elektronen.

Doch Wissenschaftler arbeiten daran, die Bildauflösung von Röntgentechniken zu verbessern. Eine solche Methode ist Röntgentomografie, die nicht-invasive Bildgebung des Inneren von Materialien ermöglicht. Wenn man die Feinheiten eines Mikrochips kartieren oder Neuronen in einem Gehirn verfolgen will, ohne das untersuchte Material zu zerstören, braucht man Röntgentomografie, und je besser die Auflösung, desto kleinere Phänomene kann man mit dem Röntgenstrahl verfolgen.

Neue Methode: Hochauflösendes Röntgenmikroskop + Algorithmen

Zu diesem Zweck hat eine Gruppe von Wissenschaftlern unter Leitung des U.S. Department of Energy's (DOE) Argonne National Laboratory eine neue Methode zur Verbesserung der Auflösung von Hart-Röntgen-Nanotomografie entwickelt. (Nanotomografie ist Röntgenbildgebung im Nanometer-Maßstab. Zum Vergleich: Ein durchschnittliches menschliches Haar ist 100.000 Nanometer breit.) Das Team konstruierte ein hochauflösendes Röntgenmikroskop mit den leistungsstarken Röntgenstrahlen der Advanced Photon Source (APS) und erstellte neue Computeralgorithmen, um Probleme bei winzigen Skalen zu kompensieren. Mit dieser Methode erreichte das Team eine Auflösung unter 10 Nanometern. Laut den Forschern sind diese Optiken und Algorithmen auch auf andere Röntgentechniken anwendbar.

Korrektur von Proben-Drift und Deformation

Mit dem hauseigenen Transmission X-ray Microscope (TXM) an Beamline 32-ID der APS – einschließlich spezieller Linsen, die am Center for Nanoscale Materials (CNM) gefertigt wurden – war das Team in der Lage, die einzigartigen Charakteristika von Röntgenstrahlen zu nutzen und hochauflösende 3D-Bilder in etwa einer Stunde zu erzeugen. Doch selbst diese Bilder waren nicht ganz an der gewünschten Auflösung, so dass das Team eine neue computergestützte Technik entwickelte, um sie weiter zu verbessern.

Die Hauptprobleme, die das Team korrigieren wollte, waren Probendrift und -deformation. Auf diesen kleinen Skalen, wenn sich die Probe im Strahl bewegt, sogar um ein paar Nanometer, oder wenn der Röntgenstrahl selbst die geringste Veränderung in der Probe bewirkt, resultieren Bewegungsartefakte im 3D-Bild der Probe. Dies kann nachfolgende Analysen erheblich erschweren.

Eine Probendrift kann durch allerlei Dinge auf dieser kleinen Skala verursacht werden, einschließlich Temperaturänderungen. Um Tomografie durchzuführen, müssen die Proben auch sehr präzise im Strahl rotiert werden, was zu Bewegungsfehlern führen kann, die in den Daten wie Probendrifts aussehen. Der neue Algorithmus des Argonne-Teams arbeitet daran, diese Probleme zu entfernen, was zu einem klareren und schärferen 3D-Bild führt.

Validierung und Ausblick

Das Team testete ihre Ausrüstung und Technik auf mehrere Weisen. Zuerst erfassten sie 2D- und 3D-Bilder einer winzigen Platte mit 16-Nanometer-breiten Merkmalen, gefertigt von Kenan Li, damals an der Northwestern University und jetzt am DOE's SLAC National Accelerator Laboratory. Sie konnten winzige Defekte in der Plattenstruktur abbilden. Dann testeten sie es an einem echten elektrochemischen Energiespeichergerät, nutzten Röntgenstrahlen, um hineinzublicken und hochauflösende Bilder aufzunehmen. Allerdings fühlen sie, dass noch Raum für Verbesserung dieser Technik besteht.

Die Fähigkeiten dieses Instruments und der Technik werden sich mit fortgesetzter F&E an Optiken und Detektoren verbessern und vom laufenden Upgrade der APS profitieren. Wenn abgeschlossen, wird die aufgerüstete Anlage hochenergetische Röntgenstrahlen erzeugen, die bis zu 500 Mal heller sind als derzeit möglich, und weitere Fortschritte in der Röntgenoptik werden noch engere Strahlen mit höherer Auflösung ermöglichen. Nach dem Upgrade werden sie auf acht Nanometer und darunter zielen, in der Hoffnung, dass dies ein leistungsstarkes Werkzeug für Forschung auf immer kleineren Skalen sein wird.