Soyons petits :la nouvelle méthode Argonne améliore considérablement la résolution de la nanotomographie à rayons X

C'est une vérité depuis longtemps :si vous voulez étudier le mouvement et le comportement d'atomes individuels, la microscopie électronique peut vous donner ce que les rayons X ne peuvent pas. Les rayons X pénètrent bien dans les échantillons - ils vous permettent de voir ce qui se passe à l'intérieur des batteries lorsqu'elles se chargent et se déchargent, par exemple - mais historiquement, ils n'ont pas été en mesure d'imager spatialement avec la même précision que les électrons.

Mais les scientifiques travaillent à améliorer la résolution d'image des techniques de rayons X. L'une de ces méthodes est la tomographie aux rayons X, qui permet une imagerie non invasive de l'intérieur des matériaux. Si vous voulez cartographier les subtilités d'un microcircuit, par exemple, ou tracer les neurones dans un cerveau sans détruire le matériel que vous regardez, vous avez besoin d'une tomographie à rayons X, et plus la résolution est bonne, plus les phénomènes que vous pouvez tracer sont petits. avec le faisceau de rayons X.

À cette fin, un groupe de scientifiques dirigé par le laboratoire national d'Argonne du Département américain de l'énergie (DOE) a créé une nouvelle méthode pour améliorer la résolution de la nanotomographie à rayons X durs. (La nanotomographie est une imagerie par rayons X à l'échelle du nanomètre. À titre de comparaison, un cheveu humain moyen mesure 100 000 nanomètres de large.) L'équipe a construit un microscope à rayons X à haute résolution en utilisant les puissants faisceaux de rayons X de la source de photons avancée ( APS) et créé de nouveaux algorithmes informatiques pour compenser les problèmes rencontrés à des échelles minuscules. En utilisant cette méthode, l'équipe a atteint une résolution inférieure à 10 nanomètres. Selon les chercheurs, ces optiques et algorithmes sont également applicables à d'autres techniques de rayons X.

À l'aide du microscope à rayons X à transmission (TXM) interne à la ligne de lumière 32-ID de l'APS - y compris des lentilles spéciales fabriquées au Center for Nanoscale Materials (CNM) - l'équipe a pu utiliser les caractéristiques uniques des rayons X et obtenir des images 3D haute résolution en une heure environ. Mais même ces images n'étaient pas tout à fait à la résolution souhaitée, alors l'équipe a conçu une nouvelle technique pilotée par ordinateur pour les améliorer davantage.

Les principaux problèmes que l'équipe a cherché à corriger étaient la dérive et la déformation de l'échantillon. À ces petites échelles, si l'échantillon se déplace dans le faisceau, même de quelques nanomètres, ou si le faisceau de rayons X provoque le moindre changement dans l'échantillon lui-même, le résultat sera des artefacts de mouvement sur l'image 3D de l'échantillon. Cela peut rendre l'analyse ultérieure beaucoup plus difficile.

Une dérive d'échantillon peut être causée par toutes sortes de choses à cette petite échelle, y compris les changements de température. Pour effectuer une tomographie, les échantillons doivent également être tournés très précisément dans le faisceau, ce qui peut entraîner des erreurs de mouvement qui ressemblent à des dérives d'échantillons dans les données. Le nouvel algorithme de l'équipe Argonne permet de supprimer ces problèmes, ce qui donne une image 3D plus claire et plus nette.

L'équipe a testé son équipement et sa technique de plusieurs manières. Tout d'abord, ils ont capturé des images 2D et 3D d'une minuscule plaque avec des caractéristiques de 16 nanomètres de large fabriquées par Kenan Li, alors de l'Université Northwestern et maintenant au SLAC National Accelerator Laboratory du DOE. Ils ont pu imager de minuscules défauts dans la structure de la plaque. Ils l'ont ensuite testé sur un véritable dispositif de stockage d'énergie électrochimique, en utilisant les rayons X pour regarder à l'intérieur et capturer des images haute résolution. Cependant, ils estiment que cette technique peut encore être améliorée.

Les capacités de cet instrument et de cette technique s'amélioreront grâce à un effort continu de recherche et de développement sur l'optique et les détecteurs et bénéficieront de la mise à niveau en cours de l'APS. Une fois terminée, l'installation mise à niveau générera des faisceaux de rayons X à haute énergie jusqu'à 500 fois plus brillants que ceux actuellement possibles, et de nouvelles avancées dans l'optique des rayons X permettront des faisceaux encore plus étroits avec une résolution plus élevée. Après la mise à niveau, ils pousseront pour huit nanomètres et moins, en espérant que ce sera un outil puissant pour la recherche à des échelles de plus en plus petites.