Hande Öztürk, scientifique du NSLS-II, se tient à côté de la ligne de faisceau de la nanosonde à rayons X durs (HXN), où son équipe de recherche a développé la nouvelle technique d'imagerie par rayons X. Crédit :Laboratoire national de Brookhaven
Des scientifiques du laboratoire national de Brookhaven du département de l'Énergie des États-Unis (DOE) ont développé une nouvelle approche de l'imagerie par rayons X en 3D qui permet de visualiser les matériaux volumineux de manière très détaillée, une tâche impossible avec les méthodes d'imagerie conventionnelles. La nouvelle technique pourrait aider les scientifiques à débloquer des indices sur les informations structurelles d'innombrables matériaux, des batteries aux systèmes biologiques.
Les scientifiques ont développé leur approche à Brookhaven's National Synchrotron Light Source II (NSLS-II) - une installation utilisateur du DOE Office of Science où les scientifiques utilisent des rayons X ultra-lumineux pour révéler des détails à l'échelle nanométrique. L'équipe est située sur la ligne de faisceau de la nanosonde à rayons X durs (HXN) de NSLS-II, une station expérimentale qui utilise des objectifs avancés pour offrir une résolution de premier plan, jusqu'à 10 nanomètres, soit environ un dixième du diamètre d'un cheveu humain.
HXN produit des images d'une résolution remarquablement élevée qui peuvent fournir aux scientifiques une vue complète des différentes propriétés des matériaux en 2D et en 3D. La ligne de lumière possède également une combinaison unique de capacités in situ et operando, des méthodes d'étude des matériaux dans des conditions de fonctionnement réelles. Cependant, les scientifiques qui utilisent des microscopes à rayons X ont été limités par la taille et l'épaisseur des matériaux qu'ils peuvent étudier.
« La communauté de l'imagerie par rayons X est toujours confrontée à des défis majeurs pour exploiter pleinement le potentiel des lignes de lumière comme HXN, en particulier pour obtenir des détails haute résolution à partir d'échantillons épais, " dit Yong Chu, scientifique en chef des lignes de lumière chez HXN. « Obtenir la qualité, les images haute résolution peuvent devenir difficiles lorsqu'un matériau est épais, c'est-à-dire plus épais que la profondeur de champ de l'optique à rayons X."
Maintenant, les scientifiques de HXN ont développé une approche efficace pour étudier des échantillons épais sans sacrifier l'excellente résolution fournie par HXN. Ils décrivent leur approche dans un article publié dans la revue Optique .
« Le but ultime de notre recherche est de briser la barrière technique imposée à l'épaisseur de l'échantillon et de développer une nouvelle façon d'effectuer une imagerie 3D, une méthode qui implique de découper mathématiquement l'échantillon, " a déclaré Xiaojing Huang, un scientifique à HXN et un co-auteur de l'article.
L'équipe de recherche est représentée au poste de travail HXN. Debout, de gauche à droite, sont Xiaojing Huang, Hanfei Yan, Evgeny Nazaretski, Yong Chu, Mingyuan Ge, et Zhihua Dong. Séance, de gauche à droite, sont Hande Öztürk et Meifeng Lin. Crédit :Laboratoire national de Brookhaven
La méthode conventionnelle d'obtention d'une image 3-D consiste à collecter et combiner une série d'images 2-D. Pour obtenir ces images 2D, les scientifiques font généralement pivoter l'échantillon de 180 degrés; cependant, les grands échantillons ne peuvent pas facilement tourner dans l'espace limité des microscopes à rayons X typiques. Cette limite, en plus du défi de l'imagerie d'échantillons épais, rend presque impossible la reconstruction d'une image 3D avec une haute résolution.
"Au lieu de collecter une série de projections 2D en faisant pivoter l'échantillon, nous «découpons» simplement le matériau épais en une série de couches minces, " a déclaré l'auteur principal Hande Öztürk. " Ce processus de tranchage est effectué mathématiquement sans modifier physiquement l'échantillon. "
Leur technique bénéficie de l'optique spéciale HXN, appelées lentilles de Laue multicouches (MLL), qui sont conçus pour focaliser les rayons X en un point minuscule. Ces lentilles créent des conditions favorables à l'étude de tranches plus fines de matériaux épais, tout en réduisant le temps de mesure.
"Les MLL uniques de HXN ont une efficacité de focalisation élevée, afin que nous puissions passer beaucoup moins de temps à collecter le signal dont nous avons besoin, " dit Hanfei Yan, un scientifique à HXN et un co-auteur de l'article.
En combinant l'optique MLL et l'approche multi-tranches, les scientifiques du HXN ont pu visualiser deux couches de nanoparticules séparées par seulement 10 microns, soit environ un dixième du diamètre d'un cheveu humain, et avec une résolution 100 fois plus petite. En outre, la méthode réduit considérablement le temps nécessaire pour obtenir une seule image.
« Ce développement offre une opportunité passionnante d'effectuer une imagerie 3D sur des échantillons très difficiles à imager avec des méthodes conventionnelles, par exemple, une batterie avec une cellule électrochimique compliquée, " a déclaré Chu. Il a ajouté que cette approche pourrait être très utile pour une grande variété d'applications de recherche futures.
