Forskare vid US Department of Energy's (DOE) Brookhaven National Laboratory har utvecklat ett nytt tillvägagångssätt för 3-D röntgenbilder som kan visualisera skrymmande material i detalj - en omöjlig uppgift med konventionella avbildningsmetoder. Den nya tekniken kan hjälpa forskare att låsa upp ledtrådar om den strukturella informationen hos otaliga material, från batterier till biologiska system.

Forskarna utvecklade sitt tillvägagångssätt vid Brookhavens National Synchrotron Light Source II (NSLS-II) – en DOE Office of Science User Facility där forskare använder ultraljusa röntgenstrålar för att avslöja detaljer i nanoskala. Teamet finns vid NSLS-II:s hårdröntgen Nanoprobe (HXN) strållinje, en experimentell station som använder avancerade linser för att erbjuda världsledande upplösning, ända ner till 10 nanometer – ungefär en tiotusendel av diametern på ett människohår.

HXN producerar anmärkningsvärt högupplösta bilder som kan ge forskare en heltäckande bild av olika materialegenskaper i 2-D och 3-D. Strållinjen har också en unik kombination av in situ- och operando-funktioner – metoder för att studera material under verkliga driftsförhållanden. Dock, forskare som använder röntgenmikroskop har begränsats av storleken och tjockleken på de material de kan studera.

"Röntgenmiljön står fortfarande inför stora utmaningar när det gäller att fullt ut utnyttja potentialen hos strållinjer som HXN, speciellt för att få högupplösta detaljer från tjocka prover, " sa Yong Chu, ledande strållinjeforskare vid HXN. "Få kvalitet, Högupplösta bilder kan bli utmanande när ett material är tjockt – dvs. tjockare än röntgenoptikens fokusdjup."

Nu, forskare vid HXN har utvecklat en effektiv metod för att studera tjocka prover utan att offra den utmärkta upplösning som HXN ger. De beskriver sitt tillvägagångssätt i en artikel publicerad i tidskriften Optica .

"Det yttersta målet med vår forskning är att bryta den tekniska barriären för provets tjocklek och utveckla ett nytt sätt att utföra 3D-avbildning - ett som involverar matematisk skärning av provet, sa Xiaojing Huang, en forskare vid HXN och en medförfattare till artikeln.

Den konventionella metoden för att erhålla en 3-D-bild innebär att man samlar in och kombinerar en serie 2-D-bilder. För att få dessa 2D-bilder, forskarna roterar typiskt provet 180 grader; dock, stora prover kan inte lätt rotera inom det begränsade utrymmet hos typiska röntgenmikroskop. Denna begränsning, förutom utmaningen att avbilda tjocka prover, gör det nästan omöjligt att rekonstruera en 3D-bild med hög upplösning.

"Istället för att samla in en serie 2D-projektioner genom att rotera provet, vi "skär" helt enkelt det tjocka materialet i en serie tunna lager, " sa huvudförfattaren Hande Öztürk. "Denna skivningsprocess utförs matematiskt utan att fysiskt modifiera provet."

Deras teknik drar nytta av HXN:s speciella optik, kallade Multilayer Laue-linser (MLLs), som är konstruerade för att fokusera röntgenstrålar till en liten punkt. Dessa linser skapar gynnsamma förutsättningar för att studera tunnare skivor av tjocka material, samtidigt som mättiden minskar.

"HXN:s unika MLL:er har en hög fokuseringseffektivitet, så att vi kan lägga mycket mindre tid på att samla in den signal vi behöver, sa Hanfei Yan, en forskare vid HXN och en medförfattare till artikeln.

Genom att kombinera MLL-optiken och multi-slice-metoden, HXN-forskarna kunde visualisera två lager av nanopartiklar separerade med endast 10 mikron – ungefär en tiondel av diametern på ett människohår – och med en upplösning 100 gånger mindre. Dessutom, metoden minskade avsevärt tiden som krävs för att få en enda bild.

"Den här utvecklingen ger en spännande möjlighet att utföra 3D-bilder på prover som är mycket svåra att avbilda med konventionella metoder - till exempel, ett batteri med en komplicerad elektrokemisk cell, " sa Chu. Han tillade att detta tillvägagångssätt kan vara mycket användbart för en mängd olika framtida forskningsapplikationer.