Série expérimentale d'inclinaison EDS à canal de carbone. Les 20 projections EDS de carbone traitées utilisées comme entrée pour la reconstruction GENFIRE. Chaque image était masquée, normalisé à la projection de référence, fond soustrait, et aligné par centre de masse et alignement de ligne commune. La soustraction de fond a été itérée avec l'alignement pour minimiser les différences de lignes communes. La direction horizontale est l'axe de rotation. Crédit :Avancées scientifiques, doi:10.1126/sciadv.aax3009
La microscopie multimodale peut combiner des techniques d'imagerie nanométriques complémentaires pour extraire des informations complètes sur le produit chimique, aspects structurels et fonctionnels d'échantillons hétérogènes. La microscopie à rayons X peut obtenir une imagerie à haute résolution de matériaux en vrac avec des produits chimiques, magnétique, contraste d'orientation électronique et de liaison. En parallèle, la microscopie électronique peut fournir une résolution spatiale à l'échelle atomique tout en quantifiant la composition élémentaire.
Dans un nouveau rapport, Yuan Huang Lo et ses collègues des départements interdisciplinaires de physique, la bio-ingénierie et la source lumineuse avancée aux États-Unis ont combiné la ptychographie aux rayons X et la spectromicroscopie à rayons X par transmission à balayage (STXM). Ils ont ensuite combiné la configuration avec la spectroscopie à dispersion d'énergie tridimensionnelle (3D) et la tomographie électronique pour cartographier la composition structurelle et chimique d'une particule de météorite Allende avec une résolution spatiale de 15 nm. Les scientifiques ont utilisé des informations élémentaires texturales et quantitatives pour comprendre la composition minérale et discuter des processus potentiels avant et après l'accrétion (formation de corps astronomiques plus grands influencés par la gravitation).
La microscopie à rayons X et électronique peut visualiser la structure et la fonction au sein des systèmes organiques et inorganiques à travers des échelles spatiales jusqu'à l'échelle atomique. Les progrès de la ptychographie aux rayons X - une puissante méthode d'imagerie diffractive cohérente (CDI) ont étendu l'imagerie aux rayons X mous vers une résolution spatiale de 5 nm. Le CDI à rayons X ptychographique peut imager des circuits intégrés étendus et des structures biologiques en deux dimensions (2-D) et 3-D. La spectroscopie à rayons X à transmission par balayage combinée à la spectroscopie d'absorption des rayons X (XAS) peut cartographier des échantillons en vrac avec une résolution de 20 nm, d'extraire simultanément des cartes chimiques spécifiques du carbone, azote, l'oxygène et les métaux de transition (fer, manganèse et nickel). Développements passionnants nouvellement introduits dans le domaine, telles que la conservation cryogénique des échantillons biologiques et l'introduction des microscopes électroniques à correction d'aberration ont inauguré une nouvelle ère de la cryomicroscopie électronique et de la microscopie électronique atomique. Ces nouvelles méthodes ont permis une imagerie sans précédent des matériaux et des relations de structure et de fonction associées à un niveau fondamental.
GAUCHE :Schéma d'imagerie spectrale multimodale aux rayons X et à l'électron nanoscopique. Des grains de météorite d'Allende déposés sur une grille MET ont été transférés entre un microscope électronique Titan 60-300 et la ligne de rayons X doux COSMIC pour la tomographie, ptychographique, et l'imagerie spectromicroscopique. Le porte-échantillon compatible TEM de COSMIC a permis d'imager le même grain de météorite en utilisant les deux modalités d'imagerie pour extraire des ensembles de données multidimensionnels, fourniture de produits chimiques, de construction, et des informations fonctionnelles avec une haute résolution spatiale. A DROITE :Reconstructions tomographiques HAADF et EDS GENFIRE. Couches représentatives de 14 nm d'épaisseur dans les volumes 3D HAADF (A) et EDS (B) reconstruits du grain de météorite d'Allende. La flèche rouge pointe vers des poches de fonte, et la flèche verte pointe vers les veines de choc qui ont été incrustées, qui suggèrent que l'échantillon a subi à un moment donné un échauffement induit par l'impact, craquement, et fondre. Les traces d'aluminium et de chrome dans les veines qui sont visibles dans les reconstructions EDS révèlent que les veines étaient remplies de recristallisation métallique. a.u., unités arbitraires. Crédit :Avancées scientifiques, doi:10.1126/sciadv.aax3009
Néanmoins, aucune des techniques d'imagerie ne peut fournir une carte complète pour extraire simultanément plusieurs informations d'un échantillon. Par exemple, tandis que la microscopie électronique peut offrir une résolution atomique inégalée, la méthode ne s'applique qu'aux échantillons très minces. En comparaison, les chercheurs ont mis en œuvre avec succès l'imagerie multimodale dans les communautés de la microscopie optique et de l'imagerie médicale. La combinaison des méthodes peut être efficace pour prévenir les dommages causés par le rayonnement de l'échantillon via les rayons X, puisque les électrons sont plus efficaces en dose que les rayons X dans les expériences de diffusion élastique. L'imagerie corrélative combinée peut générer des cartes expérimentales à multiples facettes pour guider la modélisation informatique afin de promouvoir la découverte et le déploiement rapides de nouveaux matériaux pour répondre à des questions scientifiques difficiles. Les défis ont motivé les scientifiques à intégrer l'imagerie multimodale, avec des microscopies à rayons X et électroniques avancées pour étudier les spécimens et tirer parti des développements récents dans l'imagerie des échantillons.
Dans le travail present, Lo et al. utilisé la ptychographie aux rayons X et le STXM en 2D pour étudier un grain de météorite d'Allende. Ils ont combiné la configuration avec la spectroscopie à dispersion d'énergie (EDS) et l'imagerie à champ sombre annulaire à grand angle (HAADF) en 3D. La météorite Allende a été observée au Mexique le 8 février 1969, comme une chondrite carbonée CV3. Les chercheurs ont bien étudié Allende à l'époque car les laboratoires de recherche étaient bien préparés à recevoir des échantillons lunaires du programme Apollo. Ils ont observé la présence de chondres plus gros et d'inclusions riches en calcium-aluminium à Allende, fixé dans une matrice à grains fins de silicates de taille micrométrique à submicrométrique, oxydes, sulfures et métaux. La météorite très hétérogène en a fait un candidat idéal pour démontrer les avantages de la microscopie multimodale à rayons X et électronique.
Lo et al. a considérablement amélioré la résolution spatiale obtenue jusqu'à présent sur la météorite pour comprendre la composition minérale et discuter des processus qui ont pu se produire avant ou après l'accrétion. Les résultats de l'imagerie ont révélé de nombreuses textures et canaux internes suggérant des veines de choc et des agrégats fondus sur la météorite. A l'aide des mesures spectroscopiques, ils ont classé les principaux composants météoriques comme des silicates, sulfures et oxydes. Le travail multidimensionnel a fourni des indications possibles sur les origines et le transport de la météorite Allende au sein de la nébuleuse solaire primitive et a mis en évidence le potentiel de combiner l'imagerie par rayons X et électronique pour étudier divers matériaux hétérogènes.
Ptychographie aux rayons X et spectromicroscopie d'absorption STXM. (A à D) Localisation des éléments majeurs dans la météorite révélée en divisant les images de ptychographie pré-bord et on-edge aux bords d'absorption pour Al, Fe, mg, et Ni. Les cartes de quotient d'absorption, affiché en échelle logarithmique, montrent la présence de Fe dans les veines de choc du silicate qui est à peine observable sur les images EDS (flèches rouges). (E et F) Cartes du quotient de diffusion (fq) dérivées d'images ptychographiques Mg pré-bord et Al pré-bord, respectivement. Cette région d'intérêt est une vue agrandie à partir du rectangle rouge en pointillé illustré en (B). (G et H) Cartes du rapport Ni-Fe à partir des cartes du quotient de diffusion Mg avant bord et Al avant bord, respectivement. Ces cartes de ratios sont converties selon la méthode SQUARREL, étant donné une quantité fixe de soufre. La barre de couleur indique le rapport Ni-Fe et 100 % implique une région de sulfure de nickel pur. (I à L) Spectres d'absorption générés à partir des balayages d'énergie STXM sur les quatre bords d'absorption, révélant des empreintes spectrales uniques pour chaque élément respectif et montrant également des différences spectrales prononcées dans les différentes régions contenant du fer. Les pics d'intensité relatifs entre Fe L3a et L3b révèlent également la présence d'espèces Fe2+ prédominantes. Crédit :Avancées scientifiques, doi:10.1126/sciadv.aax3009
Les scientifiques ont effectué une imagerie spectrale multimodale des électrons et des rayons X à l'aide de la tomographie HAADF et EDS et ont déposé le grain de la météorite Allende sur une grille TEM recouverte de carbone et l'ont transporté vers la ligne de lumière COSMIC pour l'imagerie aux rayons X. Lorsqu'ils ont tranché la reconstruction itérative de Fourier généralisée (GENFIRE) HAADF du grain, ils ont observé une variété de morphologies internes qui ont révélé différentes phases d'assemblage. Dans la plus grande matrice de météorites, ils ont observé de longs canaux internes allant de 20 à 50 nm de diamètre pour suggérer des veines de choc. Adjacent à la matrice, ils ont observé deux granules sphériques de haute intensité représentant des poches de fusion. En utilisant la tomographie EDS, l'équipe a déterminé la composition élémentaire du grain et observé la présence de Carbone (C), Oxygène (O), Magnésium (Mg), Aluminium (Al), Silicium (Si), Soufre (S), Chrome (Cr), Fer (Fe) et Nickel (Ni). Ils ont superposé les reconstructions EDS et HAADF GENFIRE pour révéler les principaux domaines minéraux, y compris le silicate de fer et de magnésium, oxyde de fer aluminium-chrome et sulfure de fer-nickel.
L'équipe de recherche a utilisé le contraste d'absorption différentielle des rayons X pour étudier les emplacements et les abondances des éléments plus en détail afin de compléter les résultats de la microscopie électronique. Pour ça, ils ont collecté des images ptychographiques 2D du grain pour localiser avec précision les emplacements de chaque élément avec un contraste et une résolution spatiale élevés. En y regardant de plus près, l'équipe a observé des régions avec des concentrations plus élevées de Fe dans le silicate pour coïncider avec les poches et les veines de fonte d'Al. L'équipe de recherche a développé une méthode SQUARREL (analyse du quotient de diffusion pour récupérer le rapport des éléments) pour récupérer des informations quantitatives sur la composition élémentaire des images ptychographiques complexes. Les scientifiques ont obtenu deux cartes de quotient de diffusion pour les images Mg pré-bord et Al pré-bord comme région d'intérêt. Ces cartes ont montré un contraste d'image nouveau et différent par rapport aux images XAS conventionnelles ou aux images à contraste de phase. Le travail a distingué différents polymorphes minéraux comme un fort avantage de la technique XAS par rapport à l'EDS conventionnel et Lo et al. a mis en évidence la complémentarité des rayons X et de la microscopie électronique au sein de l'étude.
Composition possible des grains basée sur la quantification EDS des abondances élémentaires. Diagrammes ternaires des éléments majeurs quantifiés par la méthode de Cliff-Lorimer pour trois types différents de minéraux dans le grain météorique. Les informations quantitatives sur la composition réduisent les types de minéraux possibles et suggèrent que le sulfure est similaire à la pentlandite (A), le silicate est similaire à la ferrosilite (B), et l'oxyde est un spinelle de chrome ou une chromite (C). % en poids, poids %. Crédit :Avancées scientifiques, doi:10.1126/sciadv.aax3009
De cette façon, Yuan Huang Lo et une équipe de chercheurs ont combiné la microscopie à rayons X et électronique pour étudier la météorite d'Allende et fournir des informations complémentaires sur les états structurels et chimiques de l'échantillon hétérogène. Les informations combinées aideront les chercheurs à identifier les phases minérales possibles présentes dans le grain météorique avec une résolution spatiale nanométrique. Les scientifiques ont tracé les compositions des principaux éléments du sulfure de fer-nickel, des régions de silicate de fer-magnésium et d'oxyde de fer aluminium-chrome du grain. À l'aide d'analyses à partir de données de microscopie à rayons X et électronique, l'équipe a affiné les identités des différents groupes de phases pour fournir une image pétrographique nanoscopique détaillée du grain de la météorite.
L'équipe a quantifié la composition Ni et Fe dans la région des sulfures de fer-nickel en utilisant la méthode SQUARREL (une méthode d'analyse ptychographique semi-quantitative) pour reconfirmer l'identité du composé, auparavant seulement prédit à l'aide d'EDS. La tomographie HAADF et la ptychographie aux rayons X ont fourni des informations texturales à haute résolution sur les processus possibles qui ont affecté le corps parent Allende pendant et après l'accrétion. Ils ont expliqué la possibilité que la fusion par choc soit la cause de veines et de poches de choc localisées pour générer le matériau hautement déformé. Au total, la preuve que Lo et al. recueillies à l'aide des deux techniques d'imagerie (HAADF et EDS avec ptychographie aux rayons X et spectromicroscopie d'absorption XTSM) en bon accord avec les précédentes études 2D d'Allende, qui étaient comparativement à une résolution plus grossière.
Série expérimentale d'inclinaison HAADF. Les 69 projections HAADF traitées ont été utilisées comme données d'entrée pour la reconstruction GENFIRE. Chaque image était masquée, normalisé à la projection de référence, fond soustrait, et aligné par centre de masse et alignement de ligne commune. La soustraction de fond a été itérée avec l'alignement pour minimiser les différences de lignes communes. La direction horizontale est l'axe de rotation. Crédit :Avancées scientifiques, doi:10.1126/sciadv.aax3009
Les chercheurs ont mis en évidence la relation synergique entre l'imagerie électronique et l'imagerie aux rayons X et leurs avantages complémentaires. Les données multidimensionnelles recueillies dans l'étude ont fourni des informations chimiques et texturales quantitatives sur les diverses phases du grain de la météorite. Cette approche d'imagerie multimodale est applicable à plusieurs autres systèmes hétérogènes au-delà des météorites pour obtenir de nouvelles connaissances sur de nombreux autres matériaux intéressants et complexes.
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