Os cientistas do DESY desenvolveram novas lentes que permitem a microscopia de raios-X com resolução recorde no regime nanométrico. Usando novos materiais, a equipe de pesquisa liderada pelo cientista do DESY Sasa Bajt do Center for Free-Electron Laser Science (CFEL) aperfeiçoou o projeto de óptica de raios-X especializada e alcançou um tamanho de ponto de foco com um diâmetro de menos de dez nanômetros. Um nanômetro é um milionésimo de milímetro e é menor do que a maioria das partículas de vírus. Os pesquisadores relatam seu trabalho na revista. Luz:Ciência e Aplicações . Eles usaram com sucesso suas lentes para obter imagens de amostras de plâncton marinho.

Aceleradores de partículas modernos fornecem feixes de raios-X ultrabrilhantes e de alta qualidade. O comprimento de onda curto e a natureza penetrante dos raios X são ideais para a investigação microscópica de materiais complexos. Contudo, aproveitar ao máximo essas propriedades requer óticas altamente eficientes e quase perfeitas no regime de raios-X. Apesar dos extensos esforços em todo o mundo, isso acabou sendo mais difícil do que o esperado, e conseguir um microscópio de raios-X que possa resolver características menores que dez nanômetros ainda é um grande desafio.

Devido às suas propriedades únicas, os raios X não podem ser focalizados tão facilmente quanto a luz visível. Uma maneira é usar ótica de raios-X especializada chamada lentes de Laue multicamadas (MLLs). Essas lentes consistem em camadas alternadas de dois materiais diferentes com espessura nanométrica. Eles são preparados com um processo de revestimento denominado deposição por pulverização catódica. Em contraste com a ótica convencional, Os MLLs não refratam a luz, mas funcionam difratando os raios X incidentes de uma forma que concentra o feixe em um pequeno ponto. Para alcançar isto, a espessura da camada dos materiais deve ser controlada com precisão. As camadas devem mudar gradualmente em espessura e orientação em toda a lente. O tamanho do foco é proporcional à menor espessura da camada na estrutura MLL.

Para atender à precisão necessária, A equipe de Bajt combinou um novo processo de fabricação com compreensão detalhada das propriedades do material, que frequentemente variam com a espessura da camada. As novas lentes consistem em mais de 10.000 camadas alternadas de uma nova combinação de materiais, carboneto de tungstênio e carboneto de silício. "A seleção do par de materiais certo foi fundamental para o sucesso, "enfatiza Bajt." Não exclui outras combinações de materiais, mas é definitivamente o melhor que conhecemos agora. "

Para focar um feixe de raios-X nas direções vertical e horizontal, ele deve passar por duas lentes orientadas perpendicularmente. Usando esta configuração, um tamanho de ponto de 8,4 nanômetros por 6,8 nanômetros foi medido na estação experimental Hard X-ray Nanoprobe na National Synchrotron Light Source NSLS II no Brookhaven National Laboratory nos EUA. O tamanho do foco é o que define a resolução do microscópio de raios-X. A resolução das novas lentes é cerca de cinco vezes melhor do que a alcançável com lentes típicas de última geração.

"Produzimos o menor foco de raios-X do mundo usando lentes de alta eficiência, "diz Bajt. Devido à sua natureza penetrante, Os raios X normalmente passam direto pelos materiais da lente. Esses raios obviamente não contribuem para o foco, e, portanto, um objetivo de longo prazo tem sido produzir estruturas de lentes que aumentem a interação com os raios X, para direcionar uma alta fração para o foco. As novas lentes têm uma eficiência de mais de 80 por cento. Essa alta eficiência é alcançada com as estruturas em camadas que compõem a lente e que agem como um cristal artificial para difratar os raios X de forma controlada.

A alta eficiência alcançada aqui demonstra o nível muito alto de controle na produção das estruturas nanométricas necessárias. Essa precisão permite imagens de projeção em uma grande variedade de ampliações, conforme demonstrado por testes das novas lentes. Na linha de luz P11 da fonte de raios-X PETRA III do DESY, os cientistas produziram hologramas de alta resolução de Acantharea, Radiolários unicelulares pertencentes ao plâncton marinho e os únicos organismos conhecidos por formarem esqueletos a partir do mineral sulfato de estrôncio (SrSO4) ou celestita.

A equipe de Bajt também usou as novas lentes para criar imagens de conchas biomineralizadas de diatomáceas planctônicas marinhas. Esses organismos unicelulares têm conchas intrincadas, que são construções estáveis ​​altamente complexas, mas também leves. Eles consistem em sílica nanoestruturada, o que foi observado em análises bidimensionais com microscópios eletrônicos antes. Provavelmente por causa dessa estruturação, a resistência da sílica é excepcionalmente alta - dez vezes maior do que a do aço de construção - embora seja produzida em condições de baixa temperatura e pressão.

"Esperamos que a nova ótica de raios-X em breve torne possível a imagem dessas nanoestruturas em 3D. Isso nos permitirá modelar e compreender o alto desempenho mecânico dessas conchas e nos ajudar a desenvolver novos, materiais ecológicos e de alto desempenho, "diz Christian Hamm do Instituto Alfred Wegener, Helmholtz Center for Polar and Marine Research (AWI), quem forneceu as amostras e é coautor deste estudo.

As novas lentes podem ser usadas em uma ampla gama de aplicações, incluindo imagens de nano-resolução e espectroscopia. "Esses MLLs abrem novas e estimulantes oportunidades na ciência de raios-X. Eles podem ser projetados para diferentes energias e usados ​​com fontes coerentes, como lasers de elétrons livres de raios-X, "diz Bajt." Esta grande conquista não teria sido possível sem uma equipe maravilhosa com experiência em ótica e teoria de raios-X, nanofabricação, ciência material, processamento de dados e instrumentação. Já que agora sabemos como otimizar o design da lente, nosso trabalho abre caminho para finalmente atingir a meta de resolução de um nanômetro em microscopia de raios-X. "