Röntgen har länge använts för att göra bilder av små föremål, även enstaka atomer. Nu har ett team av forskare upptäckt en ny användning för röntgenstrålar i atomskala:att använda dem som en radarpistol för att mäta rörelse och hastighet för komplexa och röriga grupper av atomer.

"Det är lite som en polisens hastighetsfälla - för atom- och nanoskalldefekter, säger Randall Headrick, en professor i fysik vid University of Vermont som ledde forskargruppen. Den nya tekniken rapporterades den 28 mars i tidningen Naturfysik .

SMÅ PORER

Röntgen har stor kraft att titta in. Det är inte bara Superman; forskare har drivit närmare vad som kan verka som science fiction, träna röntgenstrålar på små föremål, inklusive kedjor av DNA, virus, och enskilda atomer. Men när de undersöker strukturen av allt mindre saker, det slumpmässiga arrangemanget av dessa objekt gör det allt svårare att skilja mellan dem. Ett långvarigt problem har varit att bra röntgenbilder kräver nästan perfekta kristaller-identiska objekt i exakt ordning. På atoms skala, komplexa och störda föremål-som de tunna filmerna som används för att göra skärmen på en mobiltelefon eller metallskikten som används i elektroniska kretsar-ger en suddig röntgenbild. "Det är som att blanda många olika ansikten i en sammansatt bild, "Headrick säger, "eller försöker se hur en genomsnittlig bil ser ut genom att titta på trafiken zip längs en motorväg."

I ett nytt tillvägagångssätt, Headrick och de andra forskarna, med stöd från US Department of Energy, sätta ordning på röntgenstrålarna när det inte finns ordning på vad de tittar på. De använde sammanhängande röntgenstrålar (tror röntgen som reser i ett marschband) för att återställa en del av informationen från deras bild. Snarare som radar plockar ut en individs hastighet på motorvägen, de fiskade ut de olika hastigheterna hos små grupper av atomer från massröntgensignalen som de lyser på en ström av atomer i rörelse. Och i den nya typen av röntgenbild, de upptäckte hålrum och små porer som bildas när man gör två sorters tunna filmer med kisel och volfram - och hur dessa hålrum och porer rör sig.

Deras upptäckt lovar att förbättra industriella tekniker för att göra mjukare, mer perfekta tunna filmer - som har tusentals kommersiella tillämpningar från solpaneler till system för leverans av läkemedel, datorchips till potatischips.

Men mycket viktigare, Headrick noterar, forskningen öppnar ett nytt sätt att se många slags komplexa klumpar av atomer i rörelse, inte bara snygga kristaller.

"Vi kan se dessa nanoskala -defekter bildas i filmen medan de görs, "Säger Headrick. Forskarna blev förvånade över att de kunde skapa en bild inte bara av filmens ytråhet. men också den inre strukturen. Detta är viktigt eftersom kvaliteten på tunna filmer kan påverkas starkt av det dynamiska förhållandet mellan hur de växer på ytan - ofta sprutas eller deponeras i ett vakuum - och strukturen av atomer som bildas under ytan.

"Vi upptäcker att det finns två sorters defekter, "Headrick noterar, "en typ som rör sig tillsammans med ytan och tros vara nanokolumner som växer med ytan - och en annan typ som är tomrum som inte växer med ytan."

SOM ÖL

För att förstå dessa två typer av defekter, häll upp ett glas öl och titta på bubblorna. Vissa rör sig i tunna linjer genom vätskan, reser upp medan toppen av ölet också stiger. Andra bubblor, instängd i det skummande huvudet, fastnar på plats medan fler skum högar sig ovanpå dem.

Föreställ dig nu att dessa bubblor faktiskt är enstaka atomer. Bubblorna som rör sig uppåt medan ölet hälls är som nanokolonnerna för atomerna Headrick och teamet observerade med den nya röntgentekniken. Tomrummen i filmen är som bubblorna som fångas i ölskummet.

Huvudförfattaren på tidningen är Headricks doktorand, Jeffrey Ulbrandt. Tillsammans, de samarbetade med forskare från Boston University, inklusive fysikern Karl Ludwig, och forskare vid Argonne National Laboratory, att göra upptäckten. Med hjälp av en stor maskin som kallas en synkrotron vid Argonnes Advanced Photon Source, de kunde rikta mycket organiserade vågor av röntgenstrålar på filmerna. Avbildad med dessa sammanhängande röntgenstrålar, störda föremål-som den grova ytan och rörigt inre i en kiselfilm-kan avkännas i ett komplext mönster av fläckar som görs på röntgendetektorn. "Detta fläckmönster innehåller detaljerad information om formerna och avstånden till samlingen av föremål, "Förklarar Headrick.

Röntgenstrålning

Dessa sammanhängande röntgenstrålar kan också känna rörelse, spåra jiggling och svärmande grupper av atomer som rör sig oberoende och oregelbundet. Den nya studien driver den insikten framåt. Forskarna tog en spridd våg av röntgenstrålar som studsade från den tunna filmens grova yta som deponerades i en vakuumkammare-och blandade den med en spridd våg av röntgenstrålar som kom från de störda defekterna-nanokolumnerna och hålrummen-som bildades vid och under filmens yta.

Dessa två blandade vågor fungerar lite som en radarpistol. Vågorna från ytan bildar en hastighetsreferens - medan underjordiska vågor bildar en mycket mindre signal blandad i denna referensvåg. Forskarna tittade på det fläckiga mönstret från röntgenstrålar som sprider sig från den tunna filmens växande yta, blir tjockare i en känd takt. Sedan mätte de hur det fläckiga mönstret svängde när det interagerade med röntgenstrålarna som studsade bort defekterna och interiören. Dessa svängningar ("som en vibrerande stämgaffel, "Headrick säger) orsakas av atomer som går olika snabbt - vilket gav laget ett känsligt mått på de relativa hastigheterna för atomer i rörelse. Men istället för 55 mph, tunnfilmsytan växer upp med några ångström per sekund. Några av defekterna växer med det, medan andra blir kvar i nanodammet.

"Detta är en ny röntgeneffekt, "Randy Headrick säger, "som låter oss känna oordning materia i rörelse - i atomskala."