Forskare vid DESY har utvecklat nya linser som möjliggör röntgenmikroskopi med rekordupplösning i nanometerregimen. Använda nya material, forskargruppen som leds av DESY-forskaren Sasa Bajt från Center for Free-Electron Laser Science (CFEL) har fulländat designen av specialiserad röntgenoptik och uppnått en fokuspunktsstorlek med en diameter på mindre än tio nanometer. En nanometer är en miljonedel av en millimeter och är mindre än de flesta viruspartiklar. Forskarna rapporterar sitt arbete i tidskriften Ljus:Vetenskap och tillämpningar . De använde framgångsrikt sina linser för att avbilda prover av marint plankton.

Moderna partikelacceleratorer ger ultralätta röntgenstrålar av hög kvalitet. Den korta våglängden och den genomträngande karaktären hos röntgenstrålar är idealisk för mikroskopisk undersökning av komplexa material. Dock, att dra full nytta av dessa egenskaper kräver mycket effektiv och nästan perfekt optik i röntgenregimen. Trots omfattande insatser världen över visade det sig vara svårare än väntat, och att uppnå ett röntgenmikroskop som kan lösa funktioner mindre än tio nanometer är fortfarande en stor utmaning.

På grund av deras unika egenskaper kan röntgenstrålar inte fokuseras lika lätt som synligt ljus. Ett sätt är att använda specialiserad röntgenoptik som kallas flerskikts Laue-linser (MLL). Dessa linser består av alternerande lager av två olika material med nanometertjocklek. De framställs med en beläggningsprocess som kallas sputter deposition. I motsats till konventionell optik, MLL bryter inte ljus utan fungerar genom att diffraktera de infallande röntgenstrålarna på ett sätt som koncentrerar strålen på en liten fläck. För att uppnå detta, materialets skikttjocklek måste kontrolleras exakt. Skikten måste gradvis förändras i tjocklek och orientering genom hela linsen. Fokusstorleken är proportionell mot den minsta skikttjockleken i MLL -strukturen.

För att uppfylla önskad precision, Bajts team kombinerade en ny tillverkningsprocess med detaljerad förståelse för materialegenskaperna, som ofta varierar med skikttjocklek. De nya linserna består av över 10 000 alternerande lager av en ny materialkombination, volframkarbid och kiselkarbid. "Valet av rätt materialpar var avgörande för framgången, "understryker Bajt." Det utesluter inte andra materialkombinationer men det är definitivt det bästa vi vet nu. "

För att fokusera en röntgenstråle i vertikal och horisontell riktning måste den passera genom två vinkelrätt orienterade linser. Genom att använda den här konfigurationen, en punktstorlek på 8,4 nanometer med 6,8 ​​nanometer mättes vid experimenten för hård röntgen Nanoprobe vid National Synchrotron Light Source NSLS II vid Brookhaven National Laboratory i USA. Fokusstorleken är det som sätter upplösningen för röntgenmikroskopet. Upplösningen på de nya linserna är ungefär fem gånger bättre än vad som går att uppnå med vanliga toppmoderna linser.

"Vi producerade världens minsta röntgenfokus med hjälp av högeffektiva linser, "säger Bajt. På grund av deras genomträngande natur, Röntgenstrålar passerar vanligtvis rakt genom linsmaterialet. Sådana strålar bidrar uppenbarligen inte till fokus, och därmed har ett långsiktigt mål varit att producera linsstrukturer som förbättrar interaktionen med röntgenstrålar, att rikta en hög bråkdel in i fokus. De nya linserna har en effektivitet på mer än 80 procent. Denna höga effektivitet uppnås med de skiktade strukturer som utgör linsen och som fungerar som en konstgjord kristall för att diffraktera röntgenstrålar på ett kontrollerat sätt.

Den höga effektiviteten som uppnås här visar den mycket höga kontrollnivån vid tillverkningen av de nödvändiga nanometerstrukturerna. Denna noggrannhet möjliggör projiceringsavbildning över ett stort antal förstoringar, vilket demonstreras genom tester av de nya linserna. Vid beamline P11 i DESYs röntgenkälla PETRA III tog forskarna fram högupplösta hologram av Acantharea, encelliga Radiolaria som tillhör marint plankton och de enda organismer som är kända för att bilda skelett från mineralet strontiumsulfat (SrSO4) eller celestit.

Bajts team har också använt de nya linserna för att avbilda de biomineraliserade skalen av marina planktoniska kiselalger. Dessa encelliga organismer har invecklade skal, som är mycket komplexa stabila men även lätta konstruktioner. De består av nanostrukturerad kiseldioxid, som observerades i tvådimensionella analyser med elektronmikroskop tidigare. Mest troligt på grund av denna strukturering, styrkan på kiseldioxiden är exceptionellt hög - tio gånger högre än konstruktionsstål - även om den produceras under låga temperatur- och tryckförhållanden.

"Vi hoppas att den nya röntgenoptiken snart kommer att göra det möjligt att avbilda dessa nanostrukturer i 3D. Detta gör att vi kan modellera och förstå de höga mekaniska prestandan hos dessa skal och hjälpa oss att utveckla nya, miljövänliga och högpresterande material, "säger Christian Hamm från Alfred Wegener Institute, Helmholtz Center for Polar and Marine Research (AWI), som tillhandahållit proverna och är medförfattare till denna studie.

De nya linserna kan användas i ett brett spektrum av applikationer, inklusive nano-upplösning och spektroskopi. "Dessa MLL öppnar upp nya och spännande möjligheter inom röntgenvetenskap. De kan utformas för olika energier och användas med sammanhängande källor, såsom röntgenfri elektronlaser, "säger Bajt." Denna stora prestation hade inte varit möjlig utan ett underbart team med expertis inom röntgenoptik och teori, nanofabrication, materialvetenskap, databehandling och instrumentering. Eftersom vi nu vet hur man optimerar linsdesignen, vårt arbete banar väg för att slutligen nå målet om en nanometerupplösning i röntgenmikroskopi. "