Med röntgenmikroskop, forskare vid PSI tittar in i datorchips, katalysatorer, små bitar av ben, eller hjärnvävnad. Röntgenstrålningens korta våglängd gör detaljer synliga som är en miljon gånger mindre än ett sandkorn – strukturer i nanometerområdet (miljondelar av en millimeter). Som i ett vanligt mikroskop, en lins används för att samla ljuset som sprids av provet och bildar en förstorad bild på kameran. Små strukturer, dock, sprida ljus i mycket stora vinklar. För att få hög upplösning i bilden, en motsvarande stor lins behövs. "Det är fortfarande extremt utmanande att producera så stora linser, " säger PSI-fysikern Klaus Wakonig:"När man arbetar med synligt ljus, det finns linser som kan fånga mycket stora spridningsvinklar. Med röntgenstrålar, dock, detta är mer komplicerat på grund av den svaga interaktionen med linsens material. Som en konsekvens, vanligtvis kan bara mycket små vinklar fångas, eller så är linserna ganska ineffektiva."

Den nya metoden som utvecklats av Wakonig och hans kollegor kringgår detta problem. "Den slutliga bilden är som om vi hade mätt med en stor lins, " förklarar forskaren. PSI-teamet använder en liten men effektiv lins, sådant som vanligtvis används i röntgenmikroskopi, och flyttar den över ett område som en idealisk lins skulle täcka. Detta skapar praktiskt taget en stor lins. "I praktiken, vi går till olika ställen med linsen och tar en bild på varje plats, Wakonig förklarar. "Sedan använder vi datoralgoritmer för att kombinera alla bilder för att skapa en högupplöst bild."

Från synligt ljus till röntgenstrålar

I vanliga fall, forskare undviker att flytta linser i instrument bort från den optiska axeln, eftersom detta kan orsaka bildförvrängningar. Dock, eftersom forskarna i det här fallet vet den exakta positionen för linsen och belyser många närliggande punkter, de kan rekonstruera hur ljuset spreds och hur provet såg ut. Metoden, känd som Fourier ptychography, har använts för mikroskopi i det synliga området sedan 2013. I sina experiment vid PSI, forskarna kunde tillämpa denna princip på röntgenmikroskopi för första gången någonsin. "Såvitt vi vet har ingen framgångsrik implementering av Fourier-röntgenptykografi rapporterats hittills, " skriver forskarna i Vetenskapens framsteg .

Den nya metoden ger inte bara högre upplösning, men också två kompletterande typer av bildinformation. För det första, det är mätningen av hur mycket ljus som absorberas av föremålet som ska avbildas, precis som med vilken vanlig kamera som helst. Men dessutom, sättet på vilket ljuset bryts registreras också. Experter talar om absorptionskontrast och faskontrast. "Vår metod ger faskontrasten, som annars är svårt att få tag på, praktiskt taget gratis, säger Ana Diaz, strållinjeforskare vid PSI:"Detta gör kvaliteten på bilderna mycket bättre." Faskontrasten gör det till och med möjligt att dra slutsatser om materialegenskaperna hos provet som undersöks, vilket vanligtvis inte är möjligt med normala avbildningstekniker.

Särskilt intressant för biologiska prover

I deras experiment, provet som forskarna undersökte var ett detektorchip. I framtiden, den nya metoden kan användas för att avslöja, till exempel, hur en katalysator fungerar när en gas tillsätts, eller när och hur metall går sönder under tryck.

Men även vävnader och cellaggregat skulle kunna undersökas bättre med denna metod. Forskarna hoppas att detta ska ge nya insikter om utvecklingen av sjukdomar som Alzheimers eller hepatit. Diaz förklarar fördelarna med den nya metoden:"Biologiska prover har normalt inte bra absorptionskontrast. Här möjliggör faskontrasten en avsevärt förbättrad bildkvalitet." Dessutom, forskarna misstänker att Fourier-ptykografi är skonsammare än tidigare metoder. "En jämförelse med normal röntgenmikroskopi indikerar att den nya metoden kräver en lägre stråldos, eftersom det är mer effektivt", säger Wakonig. "Detta kan vara särskilt intressant för studier av biologiska prover."

Forskarna satte upp sin demonstrationsutrustning vid cSAXS-strållinjen hos Swiss Light Source SLS. "För närvarande, experimenten är fortfarande ganska komplexa och kräver mycket tid, " säger Diaz. För att den nya metoden ska fungera, den använda röntgenstrålningen måste vara i ett slags unisont:Som forskare uttryckte det, de måste vara sammanhängande. Sådana experiment kräver för närvarande storskaliga forskningsanläggningar som SLS. Men Wakonig undersöker också om metoden skulle kunna realiseras med mindre koherens. Om tekniken kunde användas för att undersöka prover vid vanliga laboratorieröntgenkällor, många ytterligare tillämpningsområden skulle öppna upp.