小さくしましょう：新しいアルゴンヌ法はX線ナノトモグラフィーの解像度を大幅に向上させます

それは長い間真実でした。単一原子の動きと振る舞いを研究したいのであれば、電子顕微鏡はX線では不可能なことを教えてくれます。 X線はサンプルへの透過に優れており、たとえば、充電および放電時にバッテリー内で何が起こるかを確認できますが、歴史的には、電子と同じ精度で空間的に画像化することはできませんでした。

しかし、科学者たちはX線技術の画像解像度を改善するために取り組んでいます。そのような方法の1つは、X線トモグラフィーです。これにより、材料内部の非侵襲的イメージングが可能になります。たとえば、微小回路の複雑さをマッピングしたり、見ている物質を破壊せずに脳内のニューロンを追跡したりする場合は、X線トモグラフィーが必要です。解像度が高いほど、追跡できる現象は小さくなります。 X線ビームで。

そのために、米国エネルギー省（DOE）のアルゴンヌ国立研究所が率いる科学者のグループが、硬X線ナノトモグラフィーの解像度を向上させるための新しい方法を作成しました。 （ナノトモグラフィーはナノメートルスケールのX線イメージングです。比較のために、平均的な人間の髪の毛の幅は100,000ナノメートルです。）チームは、Advanced Photon Sourceの強力なX線ビームを使用して高解像度X線顕微鏡を構築しました（ APS）と、小さなスケールで発生した問題を補正するための新しいコンピューターアルゴリズムを作成しました。この方法を使用して、チームは10ナノメートル未満の解像度を達成しました。研究者によると、これらの光学とアルゴリズムは他のX線技術にも適用できます。

APSのビームライン32-IDで社内の透過型X線顕微鏡（TXM）を使用して（ナノスケール材料センター（CNM）で製造された特殊レンズを含む）、チームはX線の独自の特性を使用することができました。約1時間で高解像度の3D画像を実現します。しかし、それらの画像でさえ、望ましい解像度ではなかったため、チームはそれらをさらに改善するために新しいコンピューター駆動技術を考案しました。

チームが修正しようとした主な問題は、サンプルのドリフトと変形でした。これらの小さなスケールで、サンプルがビーム内を数ナノメートル移動した場合、またはX線ビームによってサンプル自体にわずかな変化が生じた場合、結果としてサンプルの3D画像にモーションアーチファクトが発生します。これにより、その後の分析がはるかに困難になる可能性があります。

サンプルドリフトは、温度の変化を含む、その小規模なあらゆる種類のものによって引き起こされる可能性があります。トモグラフィーを実行するには、サンプルもビーム内で非常に正確に回転させる必要があります。これにより、データ内でサンプルがドリフトしているように見えるモーションエラーが発生する可能性があります。 Argonneチームの新しいアルゴリズムは、これらの問題を取り除くために機能し、より鮮明で鮮明な3D画像を実現します。

チームはいくつかの方法で機器と技術をテストしました。最初に、彼らは、当時ノースウェスタン大学で、現在はDOEのSLAC国立加速器研究所で、ケナン・リーによって製作された幅16ナノメートルの小さなプレートの2Dおよび3D画像をキャプチャしました。彼らは、プレートの構造の小さな欠陥を画像化することができました。次に、X線を使用して内部を覗き込み、高解像度の画像をキャプチャして、実際の電気化学エネルギー貯蔵デバイスでテストしました。ただし、この手法にはまだ改善の余地があると彼らは感じています。

この機器と技術の機能は、光学と検出器に関する継続的な研究開発努力によって向上し、進行中のAPSのアップグレードの恩恵を受けるでしょう。アップグレードされた施設が完成すると、現在可能なものの最大500倍の高エネルギーX線ビームが生成され、X線光学のさらなる進歩により、より狭いビームでより高い解像度が可能になります。アップグレード後、彼らは8ナノメートル以下を推進し、これがますます小規模な研究のための強力なツールになることを望んでいます。