Avanço do Argonne: Nanotomografia por Raio-X Alcança Resolução Sem Precedentes

Tem sido uma verdade por muito tempo: se você quer estudar o movimento e comportamento de átomos individuais, microscopia eletrônica pode dar o que raios-X não podem. Raios-X são bons em penetrar em amostras — permitem ver o que acontece dentro de baterias enquanto carregam e descarregam, por exemplo — mas historicamente não têm sido capazes de imaginar espacialmente com a mesma precisão que elétrons podem.

Melhorando Resolução de Técnicas de Raio-X

Mas cientistas estão trabalhando para melhorar a resolução de imagem de técnicas de raio-X. Um tal método é tomografia por raio-X, que permite imagem não-invasiva do interior de materiais. Se você quer mapear as complexidades de um microcircuito, por exemplo, ou rastrear neurônios em um cérebro sem destruir o material que está olhando, você precisa de tomografia por raio-X, e quanto melhor a resolução, menores os fenômenos que você pode rastrear com o feixe de raio-X.

Novo Método: Microscópio de Alta Resolução e Algoritmos Computacionais

Para esse fim, um grupo de cientistas liderado pelo Laboratório Nacional Argonne do Departamento de Energia dos EUA (DOE) criou um novo método para melhorar a resolução de nanotomografia de raio-X duro. (Nanotomografia é imagem por raio-X na escala de nanômetros. Para comparação, um fio de cabelo humano médio tem 100.000 nanômetros de largura.) A equipe construiu um microscópio de raio-X de alta resolução usando os poderosos feixes de raio-X da Advanced Photon Source (APS) e criou novos algoritmos de computador para compensar problemas encontrados em escalas minúsculas. Usando este método, a equipe alcançou resolução abaixo de 10 nanômetros. Segundo os pesquisadores, estas ópticas e algoritmos são aplicáveis a outras técnicas de raio-X também.

Correção de Deriva de Amostra e Deformação

Usando o Microscópio de Raio-X de Transmissão (TXM) interno no beamline 32-ID da APS — incluindo lentes especiais fabricadas no Centro de Materiais Nanoscale (CNM) — a equipe foi capaz de usar as características únicas dos raios-X e alcançar imagens 3D de alta resolução em cerca de uma hora. Mas mesmo aquelas imagens não estavam na resolução desejada, então a equipe criou uma nova técnica dirigida por computador para melhorá-las ainda mais.

Os principais problemas que a equipe buscou corrigir foram deriva de amostra e deformação. Nestas escalas pequenas, se a amostra se move dentro do feixe, mesmo por alguns nanômetros, ou se o feixe de raio-X causa mesmo a menor mudança na própria amostra, o resultado serão artefatos de movimento na imagem 3D da amostra. Isso pode tornar análise subsequente muito mais difícil.

Uma deriva de amostra pode ser causada por todo tipo de coisa nessa escala pequena, incluindo mudanças de temperatura. Para realizar tomografia, as amostras também devem ser rotacionadas muito precisamente dentro do feixe, e isso pode levar a erros de movimento que parecem derivas de amostra nos dados. O novo algoritmo da equipe Argonne trabalha para remover estes problemas, resultando em uma imagem 3D mais clara e nítida.

Testes: Placa com Características de 16 nm e Dispositivo Eletroquímico Real

A equipe testou seu equipamento e técnica de várias formas. Primeiro, capturaram imagens 2D e 3D de uma placa minúscula com características de 16 nanômetros de largura fabricada por Kenan Li, então da Northwestern University e agora no Laboratório Nacional de Aceleradores SLAC do DOE. Foram capazes de imaginar minúsculos defeitos na estrutura da placa. Então testaram em um dispositivo real de armazenamento de energia eletroquímica, usando os raios-X para ver dentro e capturar imagens de alta resolução. No entanto, sentem que ainda há espaço para esta técnica melhorar.

Futuro: Upgrade do APS para Feixes 500x Mais Brilhantes

As capacidades deste instrumento e técnica melhorarão com esforço contínuo de P&D em ópticas e detectores e beneficiarão do upgrade em andamento do APS. Quando completo, a instalação atualizada gerará feixes de raio-X de alta energia que são até 500 vezes mais brilhantes que os atualmente possíveis, e avanços adicionais em ópticas de raio-X permitirão feixes ainda mais estreitos com resolução mais alta. Após o upgrade, buscarão oito nanômetros e abaixo, esperando que isso será uma ferramenta poderosa para pesquisa em escalas cada vez menores.