アルゴンヌ国立研究所のブレイクスルー：X線ナノトモグラフィーが前例なき分解能を達成

長い間、事実として認識されてきました：単一原子の動きと振る舞いを研究したいなら、電子顕微鏡がX線では得られない情報を提供します。X線はサンプル内部への透過性に優れ――例えば充放電中の電池内部で何が起きているかを見るなど――しかし歴史的に、電子線と同等の空間分解能で撮像することはできませんでした。

X線技術の分解能向上への挑戦

しかし科学者たちはX線技術の画像分解能向上に取り組んでいます。その一つがX線トモグラフィーで、材料内部の非破壊撮像を可能にします。例えばマイクロ回路の複雑さをマッピングしたい場合や、脳内ニューロンを破壊せずに追跡したい場合、X線トモグラフィーが必要で、分解能が高ければX線ビームでより小さな現象を追跡できます。

その目的で、米国エネルギー省（DOE）アルゴンヌ国立研究所主導の科学者グループが、硬X線ナノトモグラフィーの分解能向上新手法を開発。（ナノトモグラフィーはナノメートルスケールのX線撮像。比較のため、平均的な人間の髪の毛は10万ナノメートル幅です。）チームは、先進光源（APS）の強力なX線ビームを用いた高分解能X線顕微鏡を構築し、微小スケールで遭遇する問題を補償する新コンピューターアルゴリズムを作成。この手法で10ナノメートル未満の分解能を達成。研究者たちによれば、これらの光学系とアルゴリズムは他のX線技術にも適用可能です。

サンプルドリフトと変形の補正

APSビームライン32-IDの社内透過X線顕微鏡（TXM）――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――を用いて、X線の独自特性を活用し、約1時間で高分解能3D画像を取得。しかしこれらの画像はまだ望ましい分解能には達していなかったため、チームは更なる改善のため新しいコンピューター駆動技術を考案。

チームが修正を目指した主な問題は、サンプルドリフトと変形。この小さなスケールでは、サンプルがビーム内でわずか数ナノメートル動くだけでも、またはX線ビームがサンプル自体にわずかな変化を引き起こすだけでも、結果としてサンプルの3D画像にモーションアーティファクトが生じ、その後の分析を大幅に困難にします。

サンプルドリフトは、温度変化などそのスケールではあらゆる要因で発生し得ます。トモグラフィー実行にはサンプルをビーム内で非常に精密に回転させる必要があり、これがデータ上でサンプルドリフトのように見えるモーションエラーを引き起こす可能性があります。アルゴンヌチームの新アルゴリズムはこれらの問題を除去し、より鮮明でシャープな3D画像を生成します。

検証と将来展望

チームは装置と技術を複数の方法でテスト。まず、ケナン・リー氏製造（当時ノースウェスタン大学、現DOE SLAC国立加速器研究所）の16ナノメートル幅特徴を持つ微小プレートの2D・3D画像を取得。プレート構造の微小欠陥を撮像可能。次に実際の電気化学エネルギー貯蔵デバイスでテストし、X線で内部を透視し高分解能画像を取得。しかし、この技術にはまだ改善の余地があると感じています。

この装置と技術の能力は、光学系と検出器に関する継続的R&D努力で向上し、進行中のAPSアップグレードの恩恵を受けます。完了時、アップグレード施設は現在可能な最大500倍明るい高エネルギーX線ビームを生成し、X線光学の更なる進歩でより狭い高分解能ビームが可能に。アップグレード後、8ナノメートル以下を目指し、より小さなスケールでの研究に強力なツールとなることを期待。