Давайте уменьшим:новый аргоннский метод значительно улучшает разрешение рентгеновской нанотомографии

Уже давно это правда: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 — например, они позволяют увидеть, что происходит внутри аккумуляторов, когда они заряжаются и разряжаются, — но исторически они не могли отображать пространственные изображения с той же точностью, что и электроны.

Но ученые работают над улучшением разрешения изображений с помощью рентгеновских методов. Одним из таких методов является рентгеновская томография, которая позволяет получить неинвазивное изображение внутренней части материалов. Если вы хотите, например, отобразить тонкости микросхемы или проследить нейроны в мозгу, не разрушая изучаемый материал, вам нужна рентгеновская томография, и чем лучше разрешение, тем мельче явления, которые вы можете проследить. рентгеновским лучом.

С этой целью группа ученых во главе с Аргоннской национальной лабораторией Министерства энергетики США (DOE) создала новый метод улучшения 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 высокого разрешения, используя мощные рентгеновские лучи усовершенствованного источника фотонов (Advanced Photon Source). APS) и создали новые компьютерные алгоритмы для компенсации проблем, возникающих в крошечных масштабах. Используя этот метод, команда добилась разрешения ниже 10 нанометров. По словам исследователей, эта оптика и алгоритмы применимы и к другим рентгеновским методам.

Используя собственный трансмиссионный рентгеновский микроскоп (TXM) на линии луча 32-ID APS, включая специальные линзы, изготовленные в Центре наноразмерных материалов (CNM), команда смогла использовать уникальные характеристики рентгеновских лучей и получать 3D-изображения с высоким разрешением примерно за час. Но даже эти изображения были не совсем в нужном разрешении, поэтому команда разработала новую компьютерную технику для их дальнейшего улучшения.

Основными проблемами, которые команда стремилась исправить, были дрейф и деформация образца. При таких малых масштабах, если образец перемещается внутри луча, даже на пару нанометров, или если рентгеновский луч вызывает даже малейшее изменение в самом образце, результатом будут артефакты движения на трехмерном изображении образца. Это может сильно затруднить последующий анализ.

Дрейф образца может быть вызван самыми разными причинами в таком малом масштабе, включая изменения температуры. Для выполнения томографии образцы также должны вращаться очень точно внутри луча, что может привести к ошибкам движения, которые выглядят как дрейф образца в данных. Новый алгоритм команды Argonne устраняет эти проблемы, в результате чего 3D-изображение становится более четким и четким.

Команда проверила свое оборудование и технику несколькими способами. Сначала они сделали 2D- и 3D-изображения крошечной пластины с элементами шириной 16 нанометров, изготовленной Кенаном Ли, затем из Северо-Западного университета, а теперь в Национальной ускорительной лаборатории SLAC Министерства энергетики. Им удалось обнаружить 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. Однако они считают, что эту технику еще можно улучшить.

Возможности этого инструмента и метода будут улучшаться благодаря продолжающимся исследованиям и разработкам в области оптики и детекторов, а также выиграют от текущей модернизации APS. После завершения модернизированная установка будет генерировать рентгеновские лучи высокой энергии, которые в 500 раз ярче, чем в настоящее время, а дальнейшие достижения в области рентгеновской оптики позволят получать еще более узкие лучи с более высоким разрешением. После обновления они будут настаивать на восьми нанометрах и меньше, надеясь, что это станет мощным инструментом для исследований во все более и более мелких масштабах.