Förmågan att diagnostisera och förutsäga egenskaper hos material är avgörande, särskilt inom det växande området nanoteknik. Elektron- och atomsondmikroskopi kan kategorisera atomer i tunna materialark, och i små områden med tjockare prover, men det har visat sig mycket svårare att kartlägga beståndsdelarna i nanostrukturer i stora, tjocka föremål. Röntgenstrålar - det vanligaste bildverktyget för hårda biologiska material som ben - har en begränsad brännpunktsstorlek, så de kan inte fokusera på nanoskalaobjekt.

Nu, Yukio Takahashi och kollegor vid Osaka University, tillsammans med forskare vid Nagoya University och RIKEN SPring-8 center i Hyogo, har för första gången lyckats producera tvådimensionella bilder av nanostrukturer inkapslade i tjocka material i stor skala. Deras arbete var möjligt eftersom de designade ett nytt röntgendiffraktionsmikroskopsystem som inte kräver en lins.

"De största utmaningarna i detta arbete var att realisera röntgendiffraktionsmikroskopi med hög upplösning och stort synfält, utvidga det sedan till elementspecifik avbildning, ” förklarar Takahashi. "Vi uppnådde detta genom att etablera en skanningsteknik för röntgendiffraktion som kallas röntgenptykografi."

Ptychography innebär att man tar bilder av ett objekt som överlappar varandra på en serie sammanfallande gitterpunkter. Forskarna kombinerade denna teknik med röntgenstrålar, och inkluderade ett system för att kompensera för driften av optik under avbildning. Takahashi och hans kollegor fokuserade röntgenstrålningen med hjälp av så kallade "Kirkpatrick–Baez-speglar" som gjorde det möjligt för dem att samla in högkvalitativ diffraktionsdata.

Deras system övervakar förändringarna i diffraktionen av röntgenstrålar vid två olika energier. Graden av fasskillnad mellan de två röntgenenergierna ändras signifikant vid målelementets absorptionskant. Detta är relaterat till grundämnets atomnummer, vilket innebär att de element som finns i materialet kan identifieras. För att verifiera att deras system fungerar, forskarna deponerade guld/silver nanopartiklar omkring 200 nanometer stora på ett kiselnitridmembran, och producerade högupplösta och storskaliga bilder av partiklarna. Upplösningarna var bättre än 10 nanometer (fig. 1).

"En av de praktiska tillämpningarna [av denna teknik] i framtiden är möjlig observation av celler, ” förklarar Takahashi. ”Formen på en hel cell och den rumsliga fördelningen av [dess] organeller kan visualiseras tredimensionellt med en upplösning på 10 nanometer-för att ge viktig insikt i organisationen inuti cellerna. Vi hoppas få se den här tekniken användas inom biologisk och materialvetenskap i framtiden."