Det har varit en sanning länge:om du vill studera rörelse och beteende hos enstaka atomer, elektronmikroskopi kan ge dig vad röntgen inte kan. Röntgenstrålar är bra på att tränga in i prover-de låter dig se vad som händer inuti batterier när de laddas och laddas ur, till exempel - men historiskt sett har de inte kunnat rumsligt avbilda med samma precision elektroner kan.

Men forskare arbetar med att förbättra bildupplösningen för röntgentekniker. En sådan metod är röntgentomografi, vilket möjliggör icke-invasiv avbildning av insidan av material. Om du vill kartlägga krångligheterna i en mikrokrets, till exempel, eller spåra neuronerna i en hjärna utan att förstöra materialet du tittar på, du behöver röntgentomografi, och desto bättre upplösning, desto mindre fenomen kan du spåra med röntgenstrålen.

För detta ändamål, en grupp forskare under ledning av US Department of Energy's (DOE) Argonne National Laboratory har skapat en ny metod för att förbättra upplösningen av hård röntgen-nanotomografi. (Nanotomografi är röntgenbildning i skala med nanometrar. För jämförelse, ett genomsnittligt människohår är 100, 000 nanometer breda.) Teamet konstruerade ett högupplöst röntgenmikroskop med hjälp av de kraftfulla röntgenstrålarna från Advanced Photon Source (APS) och skapade nya datoralgoritmer för att kompensera för problem som uppstår vid små skalor. Med denna metod, laget uppnådde en upplösning under 10 nanometer.

"Vi vill vara på 10 nanometer eller bättre, "sade Michael Wojcik, en fysiker inom optikgruppen i Argonnes röntgenvetenskapliga avdelning (XSD). "Vi utvecklade detta för nanotomografi eftersom vi kan få 3D-information i 10-nanometerintervallet snabbare än andra metoder, men optiken och algoritmen är också tillämpliga på andra röntgentekniker. "

Med hjälp av det interna transmissionsröntgenmikroskopet (TXM) vid APS-strålens 32-ID-inklusive speciella linser utformade av Wojcik vid Center for Nanoscale Materials (CNM)-kunde teamet använda de unika egenskaperna hos X- strålar och uppnå högupplösta 3D-bilder på ungefär en timme. Men även dessa bilder hade inte riktigt den önskade upplösningen, så laget utarbetade en ny datordriven teknik för att förbättra dem ytterligare.

De viktigaste frågorna som teamet försökte korrigera är provdrift och deformation. På dessa små skalor, om provet rör sig inom strålen, även med ett par nanometer, eller om röntgenstrålen orsakar till och med den minsta förändringen i själva provet, resultatet blir rörliga artefakter på 3D -bilden av provet. Detta kan göra efterföljande analys mycket svårare.

En provdrift kan orsakas av alla möjliga saker i så liten skala, inklusive temperaturförändringar. För att utföra tomografi, proverna måste också roteras mycket exakt inom strålen, och det kan leda till rörelsefel som ser ut som provdrivningar i data. Argonne -teamets nya algoritm arbetar för att ta bort dessa problem, vilket ger en tydligare och skarpare 3D -bild.

"Vi utvecklade en algoritm som kompenserar för drift och deformation, "sa Viktor Nikitin, forskningsassistent i XSD vid Argonne. "När du använder vanliga 3D -rekonstruktionsmetoder, vi uppnådde en upplösning i 16 nanometerintervallet, men med algoritmen fick vi ner den till 10 nanometer. "

Forskargruppen testade sin utrustning och teknik på flera sätt. Först tog de 2D- och 3D-bilder av en liten tallrik med 16-nanometer-breda funktioner tillverkade av Kenan Li, sedan vid Northwestern University och nu vid DOE:s SLAC National Accelerator Laboratory. De kunde avbilda små defekter i plattans struktur. De testade det sedan på en verklig elektrokemisk energilagringsenhet, genom att använda röntgenstrålarna för att titta inuti och ta högupplösta bilder.

Vincent de Andrade, en beamline -forskare vid Argonne vid tidpunkten för denna forskning, är huvudförfattaren på tidningen. "Även om dessa resultat är enastående, " han sa, "det finns fortfarande mycket utrymme för denna nya teknik att bli bättre."

Möjligheterna med detta instrument och den här tekniken kommer att förbättras med en fortsatt forsknings- och utvecklingsinsats om optik och detektorer, och kommer att dra nytta av den pågående uppgraderingen av APS. När den är klar, den uppgraderade anläggningen kommer att generera högenergiröntgenstrålar som är upp till 500 gånger ljusare än de som för närvarande är möjliga, och ytterligare framsteg inom röntgenoptik möjliggör ännu smalare strålar med högre upplösning.

"Efter uppgraderingen, vi kommer att trycka på åtta nanometer och lägre, "sa Nikitin." Vi hoppas att detta kommer att vara ett kraftfullt verktyg för forskning i mindre och mindre skala. "

Teamets forskning publicerades i Avancerade material .