1999, UCLA-professorn John Miao var pionjär med en teknik som kallas koherent diffraktiv avbildning, eller CDI, som gör det möjligt för forskare att återskapa 3D-strukturen av icke-kristallina prover eller nanokristaller. Framgången var extremt betydande eftersom även om röntgenkristallografi länge hade tillåtit forskare att bestämma atomstrukturen för en mängd olika molekyler, inklusive DNA, det fungerar inte för icke-kristallina material som används inom en mängd olika discipliner, inklusive fysik, kemi, materialvetenskap, nanovetenskap, geologi och biologi.
En artikel av Miao och hans kollegor i senaste numret av Vetenskap granskar och analyserar den snabba utvecklingen av briljanta röntgenkällor som forskare över hela världen har använt för ett brett spektrum av tillämpningar av hans uppfinning inom fysikaliska och biologiska vetenskaper.
CDI används nu i ett bredare spektrum av tillämpningar än vad Miao hade föreställt sig att det skulle vara – och tekniken har blivit allt viktigare för forskare som utforskar gränserna för observerbar nanovetenskap.
Miao, professor i fysik och astronomi, fann att genom att belysa ett icke-kristallint prov med en lysande laserliknande, eller sammanhängande, röntgen, han kunde använda en linslös detektor för att spela in mönstret, eller diffraktion, av de spridande röntgenstrålarna. Han återskapade sedan provets 3D-struktur genom att utveckla avancerade fasåtervinningsalgoritmer som tillämpas på diffraktionsmönstret, vilket är anledningen till att hans teknik ibland kallas för linslös bildbehandling.
CDI förvandlade den konventionella synen på mikroskopi genom att ersätta den fysiska linsen med en beräkningsalgoritm. Genom att undvika att använda linser, CDI kan ta bilder av objekt i nanoskala med hög upplösning och hög kontrast. Det har också fördelar jämfört med andra avbildningstekniker såsom elektronmikroskopi eftersom det kan användas för att avbilda tjocka prover i tre dimensioner.
Denna kraftfulla avbildningsteknik förväntas nu avsevärt utöka vår förståelse av ett brett spektrum av dynamiska fenomen inom fysiken, kemi och mikroelektronik; till exempel, fasövergångar, när ämnen ändras snabbt från ett tillstånd till ett annat.
CDI är idealiskt för kvantitativ 3D-karaktärisering av material i nanoskala av flera skäl. Röntgenstrålar har ett större penetrationsdjup än elektroner, så att prover i ett elektronmikroskop förstörs av mikroskopets kraftfulla elektronstråle när de avbildas, men CDI:s röntgenstrålar kan ofta undvika att provet förstörs. CDI möjliggör också kemikalier i nanoskala, elementär, och magnetisk 3D-kartläggning av komplex materia.
Inom materialvetenskap, CDI användes för att bestämma det första 3D-deformationsfältet och full spänningstensor inuti individuella nanokristaller med upplösning i nanoskala, en nyckel till att förstå och hantera påfrestningar, vilket är grundläggande för att designa och implementera nanomaterial som de som används i höghastighetselektronik. CDI möjliggjorde också den första 3D-avbildningen av mineralkristaller inuti ben på nanometerskala, ger en mycket större förståelse för benets molekylära struktur.
I litiumjonbatterier, när elektrodmaterialet lagrar elektrisk laddning, materialet genomgår fasövergång som minskar batteriets livslängd. Med CDI, forskare kan bättre förstå hur litiumjonbatterier kan fås att lagra mer energi och hålla längre utan att spricka.
