(Phys.org) -- Ett nytt röntgenmikroskop undersöker de inre förvecklingarna hos material som är mindre än mänskliga celler och skapar oöverträffade högupplösta 3D-bilder. Genom att integrera unika automatiska kalibreringar, forskare vid det amerikanska energidepartementets Brookhaven National Laboratory kan fånga och kombinera tusentals bilder med högre hastighet och precision än något annat mikroskop. Den direkta observationen av strukturer som spänner över 25 nanometer kommer att erbjuda grundläggande framsteg inom många områden, inklusive energiforskning, miljövetenskap, biologi, och det nationella försvaret.

Detta innovativa röntgenmikroskop med full fälttransmission (TXM), finansieras av den amerikanska lagen om återinvestering och återvinning, utvecklades och togs i drift vid Brookhaven Labs National Synchrotron Light Source (NSLS), som ger den röntgenkälla som behövs för att ta bilder på nanoskala. En ny artikel publicerad i april 2012 Applied Physics Letters beskriver den experimentella framgången för ett banbrytande system som snabbt kombinerar 2D-bilder tagna från alla vinklar för att bilda digitala 3D-konstruktioner.

"Vi kan faktiskt se den interna 3D-strukturen av material på nanoskala, sade Brookhaven-fysikern Jun Wang, huvudförfattare till tidningen och chef för teamet som först föreslog denna TXM. "Enheten fungerar vackert, och det övervinner flera stora hinder för röntgenmikroskop. Vi är glada över att se hur denna teknik kommer att driva forskning."

Bygger en extra dimension

Wangs team undersökte, till exempel, en 20 mikrometers elektrod från ett litiumjonbatteri – lika tunn som ett människohår. Den interna interaktionen mellan porer och partiklar bestämmer batteriets energiprestanda, och att undersöka den aktiviteten kräver exakta kunskaper om strukturen i nanoskala.

Wangs lag tog 1, 441 2D-bilder av elektroden som en maskin roterade det lilla materialprovet för att fånga alla möjliga vinklar. Utmaningen blir då att konvertera dessa separata bilder till en enda 3D-struktur – en där varje nanometer gör skillnad. På denna skala, de vanliga en-mikrons wobblingarna liknar i skala att ta ett porträtt och låta motivet hoppa flera fot åt ​​vardera sidan.

Innan detta nya system, forskare var tvungna att manuellt justera varje enskild bild eller använda programvara för att långsamt tolka förändringarna. Detta hade två stora begränsande effekter på processen:för det första, provet måste ha skarpa inre detaljer eller vara märkt för att ge riktlinjer, vilket kan begränsa materialtyper; och för det andra, manuell justering kräver så mycket tid att det totala bildantalet toppar i hundratal. Brookhavens TXM ändrar det.

För första gången, provet är monterat ovanpå en plattform med tre sensorer som mäter nanometerförskjutningar i valfri riktning när batteriet roterar och mikroskopet tar bilder. Datorn som spelar in bilderna, efter kalibrering med en guldsfär, kompenserar sedan automatiskt för eventuella förändringar och sätter ihop bilderna exakt till den slutliga tredimensionella konstruktionen. Hela processen tar bara fyra timmar, och det beror mer på de röntgenstrålar som finns tillgängliga från NSLS än mikroskopet eller datorn.

Framtiden för 3D

Brookhaven's National Synchrotron Light Source II (NSLS-II), planerad att komma online 2015, kommer att utnyttja kapaciteten hos denna TXM på en ännu mer radikal skala. Att avbilda det litiumjonbatteriet tog 10, 000 sekunder på NSLS, men med den nya ljuskällans högre strålflöde, eller röntgenljusstyrka, det blir 1, 000 gånger snabbare, sänker den tiden till bara 10 sekunder.

Förutom direkt strukturell observation, TXM kommer också att främja elementär och kemisk förståelse av material. Bibehålla konstant förstoring under spektroskopisk avbildning, som undersöker de unika sätt som materia interagerar med strålning, forskare kommer att kunna identifiera de individuella kemiska konfigurationerna i proverna. Forskning pågår för närvarande av Wangs team för att visa denna förmåga.

Nanoimaging för industri och nationell säkerhet

TXM köptes med stöd från American Recovery and Reinvestment Act, utformad för att stimulera ekonomisk aktivitet och skapa arbetstillfällen. Xradia, ett Kalifornien-baserat företag som är specialiserat på 3D-röntgenmikroskopi, byggde den nya enheten. Brookhaven Lab-fysiker arbetade i nära samarbete med Xradia-ingenjörer, förklara sina specifika forskningsmål och prestationsbehov.

"Det här har varit ett mycket framgångsrikt samarbete, och Xradia har varit vår kritiska partner i detta projekt, sa Wang. "Vi är fortfarande i tät kontakt för att ge dem feedback om mikroskopets prestanda, så att framtida designinnovationer kan göras.”

Medan fokus för den nya TXM sannolikt kommer att ligga på alternativa energibränslen och lagringslösningar, de grundläggande insikterna har redan tillämpats på växtrotstrukturer, katalysatorer, och avancerad elektronik. Den påvisade framgången med 3D-bildsystemet har redan tilldragit sig intresset hos kommersiella användare, med stora företag som UOP och IBM schemalägger tid vid TXM. Defense Advanced Research Projects Agency (DARPA) planerar också att använda det nya mikroskopet för att undersöka de intrikata strukturerna hos importerade mikrochips i nationell säkerhet.