Los científicos de DESY han desarrollado lentes novedosos que permiten la microscopía de rayos X con resolución récord en el régimen de nanómetros. Utilizando nuevos materiales, el equipo de investigación dirigido por el científico de DESY Sasa Bajt del Centro para la Ciencia del Láser Libre de Electrones CFEL ha perfeccionadoel diseño de óptica especializada de rayos X y logró un tamaño de punto de enfoque con un diámetro de menos de diez nanómetros. Un nanómetro es una millonésima de milímetro y es más pequeño que la mayoría de las partículas de virus. Los investigadores informan su trabajo en la revista Luz: ciencia y aplicaciones . Utilizaron con éxito sus lentes para obtener imágenes de muestras de plancton marino.
Los aceleradores de partículas modernos proporcionan rayos de rayos X ultrabrillantes y de alta calidad. La longitud de onda corta y la naturaleza penetrante de los rayos X son ideales para la investigación microscópica de materiales complejos. Sin embargo, aprovechar al máximo estas propiedades requiere una alta eficienciay una óptica casi perfecta en el régimen de rayos X. A pesar de los grandes esfuerzos en todo el mundo, esto resultó ser más difícil de lo esperado, y lograr un microscopio de rayos X que pueda resolver características de menos de diez nanómetros sigue siendo un gran desafío.
Debido a sus propiedades únicas, los rayos X no pueden enfocarse tan fácilmente como la luz visible. Una forma es usar ópticas especializadas de rayos X llamadas lentes Laue multicapa MLL. Estas lentes consisten en capas alternas de dos materiales diferentes con un grosor nanométricoEstán preparados con un proceso de recubrimiento llamado deposición por pulverización catódica. A diferencia de la óptica convencional, las MLL no refractan la luz sino que funcionan mediante la difracción de los rayos X incidentes de una manera que concentra el haz en un punto pequeño. Para lograr esto, la capael grosor de los materiales debe controlarse con precisión. Las capas deben cambiar gradualmente en grosor y orientación a lo largo de la lente. El tamaño de enfoque es proporcional al grosor de capa más pequeño en la estructura MLL.
Para cumplir con la precisión requerida, el equipo de Bajt combinó un nuevo proceso de fabricación con una comprensión detallada de las propiedades del material, que a menudo varían con el grosor de la capa. Las nuevas lentes consisten en más de 10,000 capas alternas de una nueva combinación de materiales, carburo de tungsteno y carburo de silicio"La selección del par de materiales adecuado fue fundamental para el éxito", enfatiza Bajt. "No excluye otras combinaciones de materiales, pero definitivamente es lo mejor que sabemos ahora".
Para enfocar un haz de rayos X en las direcciones vertical y horizontal, tiene que pasar a través de dos lentes orientadas perpendicularmente. Al usar esta configuración, se midió un tamaño de punto de 8.4 nanómetros por 6.8 nanómetros en la Nanoprobe de rayos X durosestación experimental en el National Synchrotron Light Source NSLS II en el Brookhaven National Laboratory en los EE. UU. El tamaño de enfoque es lo que establece la resolución del microscopio de rayos X. La resolución de las nuevas lentes es aproximadamente cinco veces mejor de lo que se puede lograr con el estado típico de-Lentes de última generación.
"Produjimos el foco de rayos X más pequeño del mundo usando lentes de alta eficiencia", dice Bajt. Debido a su naturaleza penetrante, los rayos X generalmente pasan directamente a través de los materiales de los lentes. Estos rayos obviamente no contribuyen al enfoque, ypor lo tanto, un objetivo a largo plazo ha sido producir estructuras de lentes que mejoren la interacción con los rayos X, para dirigir una alta fracción hacia el foco. Las nuevas lentes tienen una eficiencia de más del 80 por ciento. Esta alta eficiencia se logra conestructuras en capas que forman la lente y que actúan como un cristal artificial para difractar los rayos X de manera controlada.
La alta eficiencia lograda aquí demuestra el muy alto nivel de control en la producción de las estructuras nanométricas necesarias. Esta precisión permite la proyección de imágenes en un amplio rango de aumentos, como lo demuestran las pruebas de las lentes novedosas. En la línea de haz P11 de X de DESYfuente de rayos PETRA III, los científicos produjeron hologramas de alta resolución de Acantharea, Radiolaria unicelular que pertenece al plancton marino y los únicos organismos que se sabe que forman esqueletos a partir del mineral sulfato de estroncio SrSO4 o celestita.
El equipo de Bajt también ha utilizado las nuevas lentes para obtener imágenes de las conchas biomineralizadas de las diatomeas planctónicas marinas. Estos organismos unicelulares tienen conchas intrincadas, que son construcciones altamente complejas pero también livianas. Consisten en sílice nanoestructurada, que se observó en dosanálisis dimensionales con microscopios electrónicos antes. Probablemente debido a esta estructuración, la resistencia de la sílice es excepcionalmente alta, diez veces mayor que la del acero de construcción, aunque se produce en condiciones de baja temperatura y presión.
"Esperamos que la novedosa óptica de rayos X haga posible pronto la imagen de estas nanoestructuras en 3D. Esto nos permitirá modelar y comprender el alto rendimiento mecánico de estos proyectiles y nos ayudará a desarrollar nuevos, ecológicos y elevadosmateriales de rendimiento ", dice Christian Hamm del Instituto Alfred Wegener, Centro Helmholtz de Investigación Polar y Marina AWI, quien proporcionó las muestras y es coautor de este estudio.
Las nuevas lentes se pueden usar en una amplia gama de aplicaciones, incluidas las imágenes de nano resolución y la espectroscopía ". Estas MLL abren nuevas y emocionantes oportunidades en la ciencia de los rayos X. Pueden diseñarse para diferentes energías y usarse con fuentes coherentes,como los láseres de electrones libres de rayos X ", dice Bajt." Este gran logro no hubiera sido posible sin un equipo maravilloso con experiencia en óptica y teoría de rayos X, nanofabricación, ciencia de materiales, procesamiento de datos e instrumentación. Desde ahorasabemos cómo optimizar el diseño de la lente, nuestro trabajo allana el camino para alcanzar el objetivo de una resolución de un nanómetro en microscopía de rayos X ".
Fuente de la historia :
Materiales proporcionado por DISEÑO Deutsches Elektronen-Synchrotron . Nota: El contenido puede ser editado por estilo y longitud.
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