Os chamados espectrômetros de placa de zona de Fresnel oferecem maneiras novas e mais eficientes de conduzir experimentos usando raios X suaves. Em um estudo publicado na revista Optics Express, cientistas apresentaram o projeto de uma placa de zona de reflexão que simplifica as medições extremamente complicadas em sistemas química e biologicamente relevantes que até agora eram difíceis de conduzir. Um segundo estudo, publicado no jornal Relatórios Científicos , apresenta um espectrômetro que usa uma placa de zona de transmissão, que pode ser usado para realizar investigações complexas de tais sistemas em um pequeno número de etapas. Esses estudos foram realizados por cientistas que trabalham no DESY, o Centro Helmholtz de Materiais e Energia em Berlim, o Instituto Paul Scherrer na Suíça e o Campus de Göttingen (Universidade de Göttingen e Instituto Max Planck de Química Biofísica).

O estudo da estrutura eletrônica dos materiais pode ser útil em diversos campos científicos. "Podemos usar a estrutura dos elétrons ou a configuração eletrônica de um sistema para deduzir coisas como o estado de ligação de elementos químicos individuais, mesmo em materiais desordenados, "diz Zhong Yin do DESY, que desempenhou um papel central em ambos os estudos. Um método de examinar esta estrutura é conhecido como espalhamento inelástico de raios-X ressonante (ou "RIXS"), um método multidimensional de espectroscopia de raios-X. Neste método, os elétrons em uma amostra são excitados por meio de raios-X e, por sua vez, eles próprios emitem raios-X de alta energia. Cada elemento químico produz um padrão característico de excitações e emissões de raios-X, com níveis de energia específicos ao longo do tempo. Este padrão pode ser lido variando a energia de excitação dos raios-X e, em seguida, usando sistemas ópticos para guiar os fótons de raios-X que são emitidos para um detector e separá-los por comprimento de onda.

Um problema com este procedimento é que os elementos particularmente mais leves, que desempenham um papel importante na biologia, apenas emitem muito pouca radiação quando estão excitados. "Em reações químicas e bioquímicas complexas que ocorrem dentro de líquidos, métodos RIXS convencionais podem fornecer informações importantes e detalhadas sobre as estruturas eletrônicas existentes, graças à sua resolução espectral. Contudo, as amostras devem estar presentes em grandes quantidades, e isso significa que realizar medições RIXS em sistemas biologicamente relevantes pode ser muito caro e complicado, "explica a cientista líder do DESY, Simone Techert, que é professor da Universidade de Göttingen e responsável pela implementação das placas de zona, o ambiente químico e a análise. "Os novos espectrômetros de placa de zona de reflexão e transmissão podem ser combinados com jatos de líquido, ou outros ambientes de amostra rapidamente trocáveis, para permitir exames RIXS consideravelmente mais eficientes de amostras de baixa concentração na faixa de raios-X moles, que pode ser usado para estudar amostras consistindo de carbono e nitrogênio. "

Como uma ferramenta ótica, as placas de zona de reflexão são versáteis:elas podem refletir luz ótica ou raios X enquanto, ao mesmo tempo, a focalizam. Quando devidamente iluminado, eles podem separar simultaneamente os comprimentos de onda individuais espacialmente, para que eles possam ser medidos em diferentes locais em um detector. "As placas da zona de reflexão são o próximo passo lógico na óptica de raios-X, "diz Jens Rehanek do Instituto Paul Scherrer. Juntamente com Zhong Yin, ele projetou os experimentos para essas novas aplicações de placas de zona. "Eles se parecem muito com espectrômetros convencionais de raios-X em termos de como funcionam, mas eles podem focar a luz não apenas em uma linha, mas em um único ponto. "Uma vez que as placas de zona são, além disso, colocadas mais perto da amostra, sinais fracos podem ser medidos com muito mais eficiência. Os cientistas usaram um truque para contornar uma das desvantagens das placas de zona:a faixa mais estreita de energias que podem ser usadas para medir. Eles colocaram a placa de zona um pouco mais longe da amostra do que o normal, permitindo-lhes medir uma gama mais ampla de energias com uma resolução semelhante à dos espectrômetros convencionais. "O espectrômetro que construímos usando a placa de zona de reflexão oferece alta eficiência e boa resolução com uma grande largura de banda e pode ser usado para pequenas amostras, "enfatiza Rehanek. Tanto a teoria quanto a tecnologia das placas de zona de reflexão foram desenvolvidas no Instituto de Óptica e Tecnologia de Nanômetros do Centro Helmholtz de Materiais e Energia (HZB) de Berlim desde 2008 por uma equipe chefiada por Alexei Erko, e são usados ​​em várias áreas para experimentos de síncrotron e FEL, bem como em aplicações de laboratório de raios-X.

Em um segundo estudo, os cientistas desenvolveram um espectrômetro baseado em um sistema óptico semelhante que também pode ser usado para examinar reações químicas e bioquímicas complexas. As placas da zona de Fresnel podem ser usadas não apenas para refletir os raios X; como placas de zona de transmissão, eles também focalizam os raios X emitidos e os separam em diferentes comprimentos de onda. As placas da zona de transmissão fabricadas no Instituto Paul Scherrer (PSI) na Suíça consistem em uma membrana fina que é transparente aos raios X, e funcionam como lentes de luz visível. O grupo de pesquisa usou essas placas de zona para demonstrar que suas propriedades especiais podem ser usadas para medir espectros de radiação de forma particularmente eficiente.

Aqui também, os cientistas aproveitaram o fato de que a placa de zona é capaz de focar a luz em duas direções, tornando possível realizar métodos de imagem de raios-X usando informações espectrais e registrar um único, espectro de raios-X multidimensional, um chamado "mapa RIXS", simultaneamente para várias energias incidentes diferentes. Isso significa que as placas da zona de transmissão podem ser usadas para estudar as diferenças espaciais em um espectro emitido muito rapidamente, e até mesmo criar uma imagem da superfície da amostra. "Em princípio, isso também é possível usando um espectrômetro RIXS convencional, "diz Christian David, o diretor do Institute for Nanooptics no PSI que foi responsável por projetar e fabricar a placa de zona, "mas, graças às propriedades especiais de imagem das placas da zona de transmissão, fomos capazes de realizar essas medições em paralelo (em vez de ponto a ponto), o que acelera o procedimento por um fator de cem. "

Ambos os novos desenvolvimentos oferecem uma alternativa aos espectrômetros de raios-X existentes. Os experimentos que examinam o curso das reações químicas e bioquímicas ao longo do tempo podem se beneficiar principalmente de sua alta eficiência. "Uma vez que os espectrômetros usam apenas um único sistema óptico, eles são muito compactos e, portanto, muito flexíveis na forma como podem ser usados, "diz Felix Marschall da PSI, o primeiro autor do estudo em Relatórios Científicos . Contudo, os novos métodos ainda estão nos estágios iniciais de desenvolvimento e o potencial oferecido pelas placas de zona ainda não foi totalmente explorado:"Já estamos trabalhando em outros estudos, que irá melhorar ainda mais a configuração e testar usos adicionais para as placas de zona, "diz Jens Viefhaus do DESY, que supervisionou as medições de teste usando os novos espectrômetros na fonte de raios X PETRA III do DESY.