Röntgenmikroskopie 10 mal schneller machen

Mikroskope machen das Unsichtbare sichtbar. Und im Vergleich zu herkömmlichen Lichtmikroskopen können Transmissionsröntgenmikroskope (TXM) in Proben mit viel höherer Auflösung sehen und außergewöhnliche Details offenbaren. Forscher aus den verschiedensten wissenschaftlichen Bereichen nutzen TXM, um die strukturelle und chemische Zusammensetzung ihrer Proben zu sehen – von biologischen Zellen bis hin zu Energiespeichermaterialien.

Jetzt haben Wissenschaftler der National Synchrotron Light Source II (NSLS-II) – einem Büro des U.S. Department of Energy (DOE) Office of Science User Facility im Brookhaven National Laboratory – ein TXM entwickelt, das Proben 10-mal schneller als bisher abbilden kann. Ihre Forschungsergebnisse werden in Applied Physics Letters veröffentlicht.

„Wir haben die Geschwindigkeit der röntgenmikroskopischen Experimente deutlich verbessert“, sagt Wah-Keat Lee, leitender Wissenschaftler an der Full Field X-ray Imaging (FXI) Strahllinie des NSLS-II, wo das Mikroskop gebaut wurde. Bei FXI reduzierten Lee und seine Kollegen die Zeit, die ein TXM benötigt, um 3D-Proben von über 10 Minuten auf nur eine Minute zu bebildern, während er gleichzeitig Bilder mit außergewöhnlicher 3D-Auflösung produzierte – unterhalb von 50 Nanometern oder 50 Milliardstel Metern. „Dieser Durchbruch wird es Wissenschaftlern ermöglichen, ihre Proben am FXI viel schneller zu visualisieren als an ähnlichen Instrumenten auf der ganzen Welt“, sagte Lee.

Neben der Verkürzung der Zeit, die für den Abschluss eines Experiments benötigt wird, kann ein schnelleres TXM mehr wertvolle Daten aus den Proben sammeln.

„Der heilige Gral fast aller bildgebenden Verfahren ist es, eine Probe in 3D und in Echtzeit sehen zu können“, sagte Lee. „Die Geschwindigkeit dieser Experimente ist relevant, denn wir wollen Veränderungen beobachten, die schnell eintreten. Es gibt viele strukturelle und chemische Veränderungen, die auf verschiedenen Zeitskalen stattfinden, so dass ein schnelleres Instrument viel mehr sehen kann.  Zum Beispiel haben wir die Möglichkeit zu verfolgen, wie Korrosion in einem Material vorkommt oder wie gut verschiedene Teile einer Batterie funktionieren.“

Um diese Fähigkeiten bei FXI anbieten zu können, musste das Team einen TXM bauen, der die neuesten Entwicklungen in der ultraschnellen Nanopositionierung (eine Methode zum Bewegen einer Probe bei gleichzeitiger Begrenzung der Vibrationen), dem Abtasten (eine Methode zum Verfolgen der Probenbewegung) und der Steuerung nutzt. Das neue Mikroskop wurde im Hause Brookhaven Lab in Zusammenarbeit zwischen den Ingenieuren, Beamline-Mitarbeitern und den Forschungs- und Entwicklungsteams des NSLS-II entwickelt.

Die Forscher sagten, dass die Entwicklung superschneller Fähigkeiten am FXI auch stark vom fortschrittlichen Design des NSLS-II abhängt.

„Unsere Fähigkeit, FXI mehr als 10 mal schneller als jedes andere Instrument der Welt zu machen, ist auch auf die leistungsstarke Röntgenquelle am NSLS-II zurückzuführen“, sagte Lee. „Bei NSLS-II gibt es Vorrichtungen, die als Dämpfungs-Wiggler bezeichnet werden und mit denen die sehr kleinen Elektronenstrahlen für die Anlage erreicht werden.  Zum Glück für uns produzieren diese Geräte auch eine sehr große Anzahl von Röntgenstrahlen. Die Menge dieser starken Röntgenstrahlen hängt direkt mit der Geschwindigkeit unserer Experimente zusammen.“

Mit den neuen Möglichkeiten am FXI bildeten die Forscher das Wachstum von Silberdendriten auf einem Kupferband ab. In einer Minute nahm die Strahlführung 1060 2D-Bilder der Probe auf und rekonstruierte sie zu einem 3D-Schnappschuss der Reaktion. Wiederholt konnten die Forscher eine minutengenaue 3-D-Animation der chemischen Reaktion erstellen.

„Wir haben uns entschieden, diese Reaktion darzustellen, weil sie die Leistungsfähigkeit von FXI demonstriert“, sagt Mingyuan Ge, leitender Autor der Forschung und Wissenschaftler am NSLS-II. „Die Reaktion ist bekannt, aber sie wurde noch nie in 3D mit einer so schnellen Erfassungszeit visualisiert. Darüber hinaus ist unsere räumliche Auflösung 30 bis 50 mal feiner als die bisher verwendete optische Mikroskopie.“

Mit dem Abschluss dieser Forschung hat FXI seine allgemeinen Benutzeroperationen aufgenommen und Forscher aus der ganzen Welt willkommen geheißen, um die fortschrittlichen Fähigkeiten der Beamline zu nutzen.

Mehr Informationen:
Mingyuan Ge et al. Einminütige Nano-Tomographie mit einem harten Röntgen-Feld-Transmissionsmikroskop, Applied Physics Letters (2018). DOI: 10.1063/1.5048378

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