A tomografia permite que o interior de uma vasta gama de objetos seja representado em 3D - de estruturas celulares a aparelhos técnicos. Pesquisadores do Paul Scherrer Institut (PSI) desenvolveram agora um método que abre novas escalas de imagens tomográficas e, assim, tornará possível o estudo detalhado de volumes representativos de tecido biológico e espécimes científicos de materiais no futuro. Até agora, os detalhes relevantes em uma escala de alguns nanômetros eram visíveis apenas com métodos que exigiam amostras muito finas.

Com a ajuda de um protótipo especial configurado na Swiss Light Source (SLS) do PSI, os pesquisadores agora alcançaram uma resolução 3D de dezesseis nanômetros em uma amostra de teste de vidro nanoporoso, um feito incomparável para a tomografia de raios-X. A medição é não destrutiva, portanto, permite estudar pequenos detalhes no contexto de seu entorno ou analisar grandes volumes de amostra de forma que a informação obtida seja menos influenciada por variâncias induzidas localmente. A resolução de 16 nm foi alcançada em um protótipo do instrumento OMNY, que ainda está em construção. A versão final permitirá aos pesquisadores resfriar a amostra durante o experimento para evitar danos à amostra induzidos por raios-X.

Na vida cotidiana, conhecemos principalmente a imagem de raios-X como um procedimento médico que permite aos médicos ver o interior do corpo humano sem causar danos ao paciente. Hoje em dia, Contudo, diferentes métodos de imagem desempenham um papel em uma ampla gama de campos de pesquisa, onde eles permitem imagens tridimensionais para uma vasta gama de aplicações - variando de tecidos biológicos, dispositivos técnicos, como catalisadores, fósseis a obras de arte antigas. Pesquisadores do Paul Scherrer Institut desenvolveram agora um instrumento que torna a tomografia de raios-X possível em uma resolução 3D sem precedentes. É especializado em estudos em que pesquisadores se interessem por detalhes de alguns nanômetros, como as estruturas finas de componentes celulares ou catalisadores modernos e baterias. Até agora, tais detalhes finos só podiam ser tornados visíveis com o auxílio de microscópios eletrônicos, que não são capazes de exibir o interior das amostras estudadas, a menos que sejam utilizadas amostras ultrafinas ou seccionamento. Consequentemente, a preparação ou método de medição pode causar danos às estruturas de interesse. Além disso, era difícil exibir as estruturas, incluindo seu ambiente real. Para amostras espessas, A tomografia de raios-X dura foi limitada a uma resolução de cerca de 150 nanômetros.

Por muitos anos, A tomografia de raios-X foi realizada em várias fontes de luz síncrotron, como a Swiss Light Source no PSI. Este tipo de imagem envolve a triagem do objeto de diferentes direções com luz de raios-X de tal forma que uma imagem fluoroscópica - a chamada radiografia - é gerada a cada vez, muito parecido com uma tomografia computadorizada de raios-X médica. Com a ajuda de um software especial de computador, os pesquisadores combinam essas imagens para formar uma imagem tridimensional, onde a distribuição do material é visível em três dimensões.

Alta resolução graças ao método de imagem alternativo

Os pesquisadores do PSI agora optaram por uma abordagem alternativa para obter uma resolução consideravelmente maior. A simples criação de uma radiografia como imagem fluoroscópica restringe a resolução que pode ser alcançada. Portanto, o método apresentado aqui, imagem pticográfica (demonstrada pela primeira vez em sua forma moderna com raios-X no PSI em 2010), explora o fato de que a luz de raios-X não é apenas enfraquecida em seu caminho através da amostra estudada, mas também parcialmente disperso. Medindo exatamente em quais direções quanto e quão pouco a luz é espalhada, as estruturas da amostra podem ser deduzidas. Para medir um único padrão de espalhamento, os pesquisadores iluminam apenas uma pequena área da amostra e repetem a medição em diferentes pontos da amostra até que toda a amostra seja rastreada. No fim, a partir de centenas de padrões de espalhamento, a pticografia fornece um único, projeção de alta resolução que corresponde a uma imagem radiográfica de alta resolução. Tal como acontece com todos os métodos de tomografia, a amostra também é girada em pequenos incrementos e estudada em diferentes direções.

Posicionamento de precisão nanométrica

Os pesquisadores testaram seu instrumento em uma amostra artificial primeiro:um pequeno pedaço de vidro, seis micrômetros de diâmetro, que continha poros revestidos por uma fina camada de metal. Durante a medição, eles foram capazes de atingir uma resolução espacial de dezesseis nanômetros - e alcançar um recorde mundial. "Estamos falando de uma escala de imagem que preenche a lacuna entre o raio X convencional e a tomografia eletrônica. A resolução é muito alta, mas a espessura da amostra e, portanto, o volume estudado também é comparativamente grande. O maior desafio da instrumentação é o fato de que a amostra teve que ser posicionada com grande precisão, "enfatiza Mirko Holler, responsável pelo projeto. "Isso ocorre porque a precisão do posicionamento da amostra tinha que ser maior do que a resolução a ser alcançada. Então, tínhamos que saber a posição da amostra com alguns nanômetros ao longo de toda a medição, que apresenta novas dificuldades em um sistema de imagem. "O posicionamento extremamente preciso e a medição da posição exigiram novas abordagens experimentais que foram desenvolvidas no PSI e agora estão sendo usadas em muitas fontes de luz síncrotron em todo o mundo.

"Apenas um protótipo"

Este recorde mundial foi alcançado em um instrumento que é "realmente apenas um protótipo", no entanto, devido ao seu sucesso, o acesso a este protótipo é oferecido aos usuários e está em alta demanda. O sistema final está atualmente em construção e seu projeto se beneficia da experiência adquirida aqui. Uma característica fundamental do instrumento final, chamado OMNY (tOMografia Nano crYo), é a possibilidade de resfriar a amostra significativamente durante a medição. "A radiação de raios X danifica as amostras durante a medição, de forma que elas mudam gradualmente e até deformam. Como resultado, a resolução da medição é limitada por esta dose de radiação, especialmente com objetos sensíveis, como materiais biológicos, "explica Holler." Este efeito é amplamente reduzido com o resfriamento, o que significa que também podemos explorar as vantagens do método para medições em materiais sensíveis à radiação. "

Até que o novo microscópio seja concluído, o protótipo continuará a ser utilizado para estudos científicos junto aos usuários do SLS. Até agora, por exemplo, materiais como giz, cimento, células solares e fósseis foram estudados em colaboração com várias instituições de pesquisa.