Tomografi gör det möjligt att avbilda interiören i ett stort antal objekt i 3D - från mobilstrukturer till tekniska apparater. Forskare från Paul Scherrer Institut (PSI) har nu tagit fram en metod som öppnar nya skalor för tomografisk bildbehandling och därmed kommer att göra detaljerade studier av representativa volymer av biologiska vävnads- och materialvetenskapliga exemplar möjliga i framtiden. Tills nu, de relevanta detaljerna på en skala på några nanometer var bara synliga med metoder som krävde mycket tunna prover.

Med hjälp av en speciell prototypuppsättning vid PSI:s Swiss Light Source (SLS) har forskarna nu uppnått en 3D-upplösning på sexton nanometer på ett nanoporöst glasprov, en bedrift som är oöverträffad för röntgentomografi. Mätningen är icke-destruktiv, så det gör det möjligt att studera små detaljer i sin omgivning eller att analysera större urvalsvolymer på ett sådant sätt att den erhållna informationen påverkas mindre av lokalt inducerade variationer. Upplösningen på 16 nm uppnåddes på en prototyp av OMNY -instrumentet, som fortfarande är under uppbyggnad. Den slutliga versionen gör det möjligt för forskarna att kyla ner provet under experimentet för att förhindra röntgeninducerad provskada.

I vardagen, vi känner mest röntgenbildning som ett medicinskt förfarande som gör det möjligt för läkare att se inuti människokroppen utan att skada patienten. Nu för tiden, dock, olika avbildningsmetoder spelar en roll inom ett brett spektrum av forskningsområden, där de möjliggör tredimensionell avbildning för ett stort antal applikationer-allt från biologisk vävnad, tekniska anordningar som katalysatorer, fossiler till antika konstverk. Forskare från Paul Scherrer Institut har nu utvecklat ett instrument som gör röntgentomografi möjligt med en oöverträffad 3D-upplösning. Det är specialiserat på studier där forskare är intresserade av detaljer som är några nanometer stora, såsom de fina strukturerna hos cellkomponenter eller moderna katalysatorer och batterier. Tills nu, sådana fina detaljer kunde endast göras synliga med hjälp av elektronmikroskop, som inte kan visa insidan av de studerade proverna om inte ultratunna prover eller snittning används. Följaktligen, berednings- eller mätmetoden kan skada intressanta strukturer. Dessutom, det var svårt att visa strukturerna inklusive deras faktiska miljö. För tjocka prover, hård röntgentomografi begränsades till en upplösning på cirka 150 nanometer.

Under många år, Röntgentomografi har utförts vid olika synkrotronljuskällor, såsom den schweiziska ljuskällan vid PSI. Denna typ av avbildning innebär att objektet skärms från olika håll med röntgenljus på ett sådant sätt att en fluoroskopisk bild-en så kallad röntgenbild-genereras varje gång, ungefär som en medicinsk röntgen CT-skanning. Med hjälp av speciell datorprogramvara kombinerar forskare dessa bilder för att bilda en tredimensionell bild, där materialfördelningen är synlig i tre dimensioner.

Hög upplösning tack vare alternativ avbildningsmetod

Forskare vid PSI har nu valt ett alternativt tillvägagångssätt för att uppnå en betydligt högre upplösning. Det enkla skapandet av en röntgenbild som en fluoroskopisk bild begränsar upplösningen som kan uppnås. Därför, metoden som presenteras här, ptychographic imaging (demonstrerades först i sin moderna form med röntgenstrålar vid PSI 2010), utnyttjar det faktum att röntgenljus inte bara försvagas på vägen genom det undersökta provet, men också delvis utspridda. Genom att mäta exakt i vilka riktningar hur mycket och även hur lite ljus som sprids, urvalets strukturer kan härledas. För att mäta ett enda spridningsmönster, forskarna belyser bara ett litet område av provet och upprepar mätningen vid olika punkter i provet tills hela provet har screenats. I slutet, från hundratals spridningsmönster ger ptychography en enda, högupplöst projektion som motsvarar en högupplöst röntgenbild. Som med alla tomografimetoder, provet roteras också i små steg och studeras från olika riktningar.

Nanometer precision positionering

Forskarna testade först sitt instrument på ett artificiellt prov:en liten bit glas, sex mikrometer i diameter, som innehöll porer belagda med ett tunt metallskikt. Under mätningen, de kunde uppnå en rumslig upplösning på sexton nanometer - och uppnå ett världsrekord. "Vi talar om en bildskala här som överbryggar klyftan mellan konventionell röntgen och elektron tomografi. Upplösningen är mycket hög, men provtjockleken och därmed den studerade volymen är också jämförelsevis stor. Den stora instrumentationsutmaningen är det faktum att provet måste placeras med stor precision, "betonar Mirko Holler, ansvarig för projektet. "Detta beror på att noggrannheten i provets positionering måste vara större än upplösningen som ska uppnås. Så vi var tvungna att veta provets position inom några nanometer under hela mätningen, vilket medför nya svårigheter i ett bildsystem. "Den extremt exakta positioneringen och positionsmätningen krävde nya experimentella tillvägagångssätt som utvecklades vid PSI och som nu används vid många synkrotronljuskällor över hela världen.

"Bara en prototyp"

Detta världsrekord uppnåddes på ett instrument som "egentligen bara är en prototyp", på grund av dess framgång erbjuds tillgång till denna prototyp till användare och är mycket efterfrågad. Det slutliga systemet är för närvarande under uppbyggnad och dess design drar nytta av de erfarenheter som gjorts här. En nyckelfunktion i det slutliga instrumentet, kallad OMNY (tOMography Nano crYo), är möjligheten att kyla provet avsevärt under mätningen. "Röntgenstrålningen skadar proverna under mätningen så att de gradvis förändras och till och med deformeras. Som ett resultat, mätupplösningen begränsas av denna strålningsdos, särskilt med känsliga föremål som biologiska material, "förklarar Holler." Denna effekt reduceras kraftigt genom kylning, vilket innebär att vi också kan utnyttja fördelarna med metoden för mätningar på strålningskänsliga material. "

Tills det nya mikroskopet är klart, prototypen kommer att fortsätta att användas för vetenskapliga studier tillsammans med användare från SLS. Än så länge, till exempel, material som krita, cement, solceller och fossiler har studerats i samarbete med olika forskningsinstitutioner.