É uma verdade há muito tempo:se você quiser estudar o movimento e o comportamento de átomos individuais, a microscopia eletrônica pode dar a você o que os raios X não podem. Os raios X são bons em penetrar em amostras - eles permitem que você veja o que acontece dentro das baterias enquanto elas carregam e descarregam, por exemplo - mas historicamente eles não têm sido capazes de obter imagens espaciais com a mesma precisão que os elétrons podem.

Mas os cientistas estão trabalhando para melhorar a resolução da imagem das técnicas de raios-X. Um desses métodos é a tomografia de raios-X, que permite imagens não invasivas do interior dos materiais. Se você quiser mapear os meandros de um microcircuito, por exemplo, ou rastrear os neurônios em um cérebro sem destruir o material que você está olhando, você precisa de tomografia de raios-X, e quanto melhor for a resolução, quanto menor o fenômeno que você pode rastrear com o feixe de raios-X.

Para esse fim, um grupo de cientistas liderado pelo Laboratório Nacional de Argonne do Departamento de Energia dos EUA (DOE) criou um novo método para melhorar a resolução da nanotomografia de raios-X. (Nanotomografia é imagem de raios-X na escala de nanômetros. Para comparação, um cabelo humano médio tem 100, A equipe construiu um microscópio de raios-X de alta resolução usando os poderosos feixes de raios-X da Advanced Photon Source (APS) e criou novos algoritmos de computador para compensar os problemas encontrados em escalas minúsculas. Usando este método, a equipe alcançou uma resolução abaixo de 10 nanômetros.

"Queremos estar a 10 nanômetros ou melhor, "disse Michael Wojcik, um físico do grupo de óptica da Divisão de Ciência de Raios-X (XSD) de Argonne. "Nós desenvolvemos isso para nanotomografia porque podemos obter informações 3D na faixa de 10 nanômetros mais rápido do que outros métodos, mas a ótica e o algoritmo são aplicáveis ​​a outras técnicas de raios-X também. "

Usando o microscópio interno de transmissão de raios-X (TXM) na linha de luz 32-ID do APS - incluindo lentes especiais fabricadas por Wojcik no Center for Nanoscale Materials (CNM) - a equipe foi capaz de usar as características exclusivas do X- raios e obter imagens 3D de alta resolução em cerca de uma hora. Mas mesmo essas imagens não estavam exatamente na resolução desejada, então a equipe desenvolveu uma nova técnica controlada por computador para melhorá-los ainda mais.

Os principais problemas que a equipe procurou corrigir são o desvio e a deformação da amostra. Nessas escalas pequenas, se a amostra se move dentro do feixe, mesmo por alguns nanômetros, ou se o feixe de raios-X causar a menor alteração na própria amostra, o resultado será artefatos de movimento na imagem 3D da amostra. Isso pode tornar a análise subsequente muito mais difícil.

Um desvio de amostra pode ser causado por todos os tipos de coisas em uma escala tão pequena, incluindo mudanças na temperatura. Para realizar a tomografia, as amostras também devem ser giradas com muita precisão dentro do feixe, e isso pode levar a erros de movimento que parecem desvios de amostra nos dados. O novo algoritmo da equipe de Argonne trabalha para remover esses problemas, resultando em uma imagem 3D mais clara e nítida.

"Desenvolvemos um algoritmo que compensa a deriva e a deformação, "disse Viktor Nikitin, pesquisador associado em XSD em Argonne. "Ao aplicar métodos de reconstrução 3D padrão, alcançamos uma resolução na faixa de 16 nanômetros, mas com o algoritmo reduzimos para 10 nanômetros. "

A equipe de pesquisa testou seus equipamentos e técnicas de várias maneiras. Primeiro, eles capturaram imagens 2D e 3D de uma pequena placa com recursos de 16 nanômetros fabricados por Kenan Li, em seguida, da Northwestern University e agora no SLAC National Accelerator Laboratory do DOE. Eles foram capazes de imaginar pequenos defeitos na estrutura da placa. Eles então o testaram em um dispositivo real de armazenamento de energia eletroquímica, usando os raios X para examinar o interior e capturar imagens de alta resolução.

Vincent de Andrade, um cientista da linha de luz em Argonne no momento desta pesquisa, é o autor principal do artigo. "Mesmo que esses resultados sejam excelentes, " ele disse, "ainda há muito espaço para essa nova técnica ficar melhor."

As capacidades deste instrumento e técnica serão aprimoradas com um esforço contínuo de pesquisa e desenvolvimento em óptica e detectores, e se beneficiará da atualização em andamento do APS. Quando terminar, a instalação atualizada irá gerar feixes de raios-X de alta energia que são até 500 vezes mais brilhantes do que os possíveis atualmente, e outros avanços na óptica de raios-X permitirão feixes ainda mais estreitos com resolução mais alta.

"Após a atualização, vamos empurrar para oito nanômetros e menos, "disse Nikitin." Esperamos que esta seja uma ferramenta poderosa para pesquisas em escalas cada vez menores. "

A pesquisa da equipe foi publicada em Materiais avançados .