p (Phys.org) - Um novo microscópio de raios-X investiga os meandros internos de materiais menores do que células humanas e cria imagens 3D de alta resolução incomparáveis. Ao integrar calibrações automáticas exclusivas, cientistas do Laboratório Nacional de Brookhaven do Departamento de Energia dos EUA são capazes de capturar e combinar milhares de imagens com maior velocidade e precisão do que qualquer outro microscópio. A observação direta de estruturas medindo 25 nanômetros oferecerá avanços fundamentais em muitos campos, incluindo pesquisa de energia, Ciencias ambientais, biologia, e defesa nacional. p Este inovador microscópio de raio-x de transmissão de campo total (TXM), financiado pelo American Reinvestment and Recovery Act, foi desenvolvido e comissionado na Fonte de Luz Síncrotron Nacional (NSLS) do Laboratório Brookhaven, que fornece a fonte de raios-x necessária para capturar imagens em nanoescala. Um novo artigo publicado no Applied Physics Letters de abril de 2012 detalha o sucesso experimental de um sistema inovador que combina rapidamente imagens 2D tiradas de todos os ângulos para formar construções 3D digitais.

p “Podemos realmente ver a estrutura interna 3D dos materiais em nanoescala, ”Disse o físico de Brookhaven Jun Wang, autor principal do artigo e chefe da equipe que propôs este TXM pela primeira vez. “O dispositivo funciona perfeitamente, e supera vários obstáculos importantes para microscópios de raios-x. Estamos entusiasmados em ver como essa tecnologia impulsionará a pesquisa. ”

p Construindo uma dimensão extra

p A equipe de Wang examinou, por exemplo, um eletrodo de 20 micrômetros de uma bateria de íon de lítio - tão fino quanto um fio de cabelo humano. A interação interna de poros e partículas determina o desempenho energético da bateria, e examinar essa atividade requer conhecimento preciso da estrutura em nanoescala.

p A equipe de Wang conquistou 1, 441 imagens 2D do eletrodo como uma máquina girou a minúscula amostra de material para capturar todos os ângulos possíveis. O desafio passa a ser converter essas imagens separadas em uma única estrutura 3D - uma em que cada nanômetro faz a diferença. Nessa escala, as oscilações usuais de um mícron são semelhantes em escala a tirar um retrato e fazer a pessoa pular vários metros para cada lado.

p Antes deste novo sistema, os cientistas tiveram que alinhar manualmente cada imagem ou usar software para interpretar lentamente as mudanças. Isso teve dois efeitos limitantes principais no processo:primeiro, a amostra deve ter características internas precisas ou ser marcada para fornecer orientações, que pode limitar os tipos de materiais; e em segundo lugar, o alinhamento manual exige tanto tempo que a contagem total de imagens chega a centenas. O TXM de Brookhaven muda isso.

p Pela primeira vez, o espécime é montado no topo de uma plataforma com três sensores que medem mudanças nanométricas em qualquer direção enquanto a bateria gira e o microscópio tira fotos. O computador gravando as imagens, após a calibração usando uma esfera de ouro, em seguida, compensa automaticamente quaisquer mudanças e monta com precisão as imagens na construção tridimensional final. Todo o processo leva apenas quatro horas, e isso se deve mais aos raios X disponibilizados pelo NSLS do que ao microscópio ou ao computador.

p O futuro do 3D

p Fonte de luz síncrotron nacional de Brookhaven II (NSLS-II), programado para ficar online em 2015, irá explorar as capacidades deste TXM em uma escala ainda mais radical. A imagem daquela bateria de íon de lítio demorou 10, 000 segundos em NSLS, mas com o maior fluxo de feixe da nova fonte de luz, ou brilho de raio-x, será 1, 000 vezes mais rápido, diminuindo esse tempo para apenas 10 segundos.

p Além da observação estrutural direta, o TXM também avançará a compreensão elementar e química dos materiais. Manter a ampliação constante durante a imagem espectroscópica, que examina as maneiras únicas como a matéria interage com a radiação, os cientistas serão capazes de identificar as configurações químicas individuais nas amostras. A equipe de Wang está desenvolvendo pesquisas para demonstrar essa capacidade.

p Nanoimagem para a indústria e segurança nacional

p O TXM foi adquirido com o apoio do American Recovery and Reinvestment Act, projetado para estimular a atividade econômica e criar empregos. Xradia, uma empresa com sede na Califórnia especializada em microscopia de raios-X 3D, construiu o novo dispositivo. Os físicos do Brookhaven Lab trabalharam em estreita colaboração com os engenheiros da Xradia, explicando seus objetivos específicos de pesquisa e necessidades de desempenho.

p “Esta foi uma colaboração de muito sucesso, e a Xradia tem sido nosso parceiro crítico neste projeto, ”Disse Wang. “Ainda estamos em contato frequente para fornecer feedback sobre o desempenho do microscópio, para que futuras inovações de design possam ser feitas. ”

p Embora o foco do novo TXM provavelmente seja em combustíveis de energia alternativa e soluções de armazenamento, os insights fundamentais já foram aplicados às estruturas das raízes das plantas, catalisadores, e eletrônica avançada. O sucesso demonstrado do sistema de imagem 3D já atraiu o interesse de usuários comerciais, com grandes corporações, como UOP e IBM, agendando o tempo no TXM. A Agência de Projetos de Pesquisa Avançada de Defesa (DARPA) também planeja usar o novo microscópio para sondar as intrincadas estruturas de microchips importados no interesse da segurança nacional.