Mikroskop gör det osynliga synligt. Och jämfört med konventionella ljusmikroskop, överföringsröntgenmikroskop (TXM) kan se in i prover med mycket högre upplösning, avslöjar extraordinära detaljer. Forskare inom ett brett spektrum av vetenskapliga områden använder TXM för att se strukturella och kemiska sammansättningar av sina prover - allt från biologiska celler till energilagringsmaterial.

Nu, forskare vid National Synchrotron Light Source II (NSLS-II)-ett US Department of Energy (DOE) Office of Science User Facility vid DOE:s Brookhaven National Laboratory-har utvecklat en TXM som kan ta prover 10 gånger snabbare än tidigare möjligt. Deras forskning publiceras i Tillämpad fysikbokstäver .

"Vi har förbättrat hastigheten på röntgenmikroskopi experiment avsevärt, "sa Wah-Keat Lee, ledande forskare vid NSLS-II's Full Field X-ray Imaging (FXI) beamline, där mikroskopet byggdes. Vid FXI, Lee och hans kollegor reducerade tiden det tar en TXM till bildprover i 3D från över 10 minuter till bara en minut, medan du fortfarande producerar bilder med exceptionell 3D-upplösning-under 50 nanometer, eller 50 miljarder av en meter. "Detta genombrott gör det möjligt för forskare att visualisera sina prover mycket snabbare vid FXI än med liknande instrument runt om i världen, "Sa Lee.

Förutom att minska tiden det tar att slutföra ett experiment, en snabbare TXM kan samla in mer värdefull data från prover.

"Den heliga gralen för nästan alla bildtekniker är att kunna se ett prov i 3D och i realtid, "Sade Lee." Hastigheten på dessa experiment är relevant eftersom vi vill observera förändringar som sker snabbt. Det finns många strukturella och kemiska förändringar som sker på olika tidsskalor, så ett snabbare instrument kan se mycket mer. Till exempel, vi har förmågan att spåra hur korrosion sker i ett material, eller hur bra olika delar av ett batteri fungerar. "

För att erbjuda dessa funktioner på FXI, teamet behövde bygga en TXM med hjälp av den senaste utvecklingen inom ultrasnabb nanopositionering (en metod för att flytta ett prov samtidigt som det begränsar vibrationer), avkänning (en metod för att spåra provrörelser), och kontroll. Det nya mikroskopet utvecklades internt på Brookhaven Lab genom ett samarbete mellan ingenjörerna, beamline -personal, och forsknings- och utvecklingsteam vid NSLS-II.

Forskarna sa att utvecklingen av supersnabba funktioner vid FXI också starkt berodde på den avancerade designen av NSLS-II.

"Vår förmåga att göra FXI mer än 10 gånger snabbare än något annat instrument i världen beror också på den kraftfulla röntgenkällan vid NSLS-II, "Sa Lee." På NSLS-II, vi har enheter som kallas dämpande wigglers, som används för att uppnå de mycket små elektronstrålarna för anläggningen. Lyckligtvis för oss, dessa enheter producerar också ett mycket stort antal röntgenstrålar. Mängden av dessa kraftfulla röntgenstrålar relaterar direkt till hastigheten på våra experiment. "

Med hjälp av de nya funktionerna på FXI, forskarna avbildade tillväxten av silverdendriter på en bit koppar. På en enda minut, strållinjen tog 1060 2-D-bilder av provet och rekonstruerade dem för att bilda en 3D-ögonblicksbild av reaktionen. Upprepar detta, forskarna kunde bilda en minut för minut, 3D-animering av den kemiska reaktionen.

"Vi valde att föreställa oss denna reaktion eftersom den visar kraften hos FXI, "sa Mingyuan Ge, huvudförfattare till forskningen och en forskare vid NSLS-II. "Reaktionen är välkänd, men det har aldrig visualiserats i 3D med så snabb förvärvstid. Dessutom, vår rumsliga upplösning är 30 till 50 gånger finare än optisk mikroskopi som använts tidigare. "

När denna forskning har slutförts, FXI har påbörjat sin allmänna användarverksamhet, välkomnar forskare från hela världen att använda beamlines avancerade funktioner.