Les microscopes rendent l'invisible visible. Et par rapport aux microscopes optiques conventionnels, les microscopes à rayons X à transmission (TXM) peuvent voir dans des échantillons avec une résolution beaucoup plus élevée, révélant des détails extraordinaires. Des chercheurs dans un large éventail de domaines scientifiques utilisent TXM pour voir la composition structurelle et chimique de leurs échantillons, des cellules biologiques aux matériaux de stockage d'énergie.

Maintenant, des scientifiques de la National Synchrotron Light Source II (NSLS-II) - une installation utilisateur du bureau des sciences du département de l'Énergie des États-Unis (DOE) au Brookhaven National Laboratory du DOE - ont développé un TXM qui peut imager des échantillons 10 fois plus rapidement qu'auparavant. Leurs recherches sont publiées dans Lettres de physique appliquée .

"Nous avons considérablement amélioré la vitesse des expériences de microscopie à rayons X, " a déclaré Wah-Keat Lee, scientifique principal de la ligne de faisceaux d'imagerie à rayons X plein champ (FXI) de la NSLS-II, où le microscope a été construit. Chez FXI, Lee et ses collègues ont réduit le temps nécessaire à un TXM pour imager des échantillons en 3D de plus de 10 minutes à seulement une minute, tout en produisant des images avec une résolution 3D exceptionnelle, inférieure à 50 nanomètres, ou 50 milliardièmes de mètre. "Cette percée permettra aux scientifiques de visualiser leurs échantillons beaucoup plus rapidement au FXI que sur des instruments similaires dans le monde, " dit Lee.

En plus de réduire le temps qu'il faut pour terminer une expérience, un TXM plus rapide peut collecter des données plus précieuses à partir d'échantillons.

"Le Saint Graal de presque toutes les techniques d'imagerie est de pouvoir voir un échantillon en 3D et en temps réel, " Lee a déclaré. "La vitesse de ces expériences est pertinente parce que nous voulons observer les changements qui se produisent rapidement. Il existe de nombreux changements structurels et chimiques qui se produisent à différentes échelles de temps, donc un instrument plus rapide peut voir beaucoup plus. Par exemple, nous avons la capacité de suivre comment la corrosion se produit dans un matériau, ou à quel point les différentes parties d'une batterie fonctionnent bien."

Pour offrir ces capacités à FXI, l'équipe avait besoin de construire un TXM utilisant les derniers développements en nano-positionnement ultrarapide (une méthode pour déplacer un échantillon tout en limitant les vibrations), la détection (une méthode de suivi du mouvement de l'échantillon), et contrôle. Le nouveau microscope a été développé en interne au Brookhaven Lab grâce à un effort de collaboration entre les ingénieurs, personnel de la ligne de lumière, et les équipes de recherche et développement de NSLS-II.

Les chercheurs ont déclaré que le développement de capacités ultra-rapides à FXI dépendait également fortement de la conception avancée de NSLS-II.

"Notre capacité à rendre FXI plus de 10 fois plus rapide que tout autre instrument dans le monde est également due à la puissante source de rayons X du NSLS-II, " Lee a dit. " Au NSLS-II, nous avons des appareils appelés wigglers d'amortissement, qui sont utilisés pour obtenir les très petits faisceaux d'électrons de l'installation. Heureusement pour nous, ces appareils produisent également un très grand nombre de rayons X. La quantité de ces puissants rayons X est directement liée à la vitesse de nos expériences."

En utilisant les nouvelles capacités de FXI, les chercheurs ont imagé la croissance de dendrites d'argent sur un ruban de cuivre. En une minute, la ligne de lumière a capturé 1060 images 2-D de l'échantillon et les a reconstruites pour former un instantané 3-D de la réaction. En répétant cela, les chercheurs ont pu former une minute par minute, Animation 3D de la réaction chimique.

"Nous avons choisi d'imager cette réaction car elle démontre la puissance de FXI, " a déclaré Mingyuan Ge, auteur principal de la recherche et scientifique à NSLS-II. « La réaction est bien connue, mais il n'a jamais été visualisé en 3-D avec un temps d'acquisition aussi rapide. En outre, notre résolution spatiale est 30 à 50 fois plus fine que la microscopie optique utilisée dans le passé."

A l'issue de cette recherche, FXI a commencé ses opérations générales d'utilisateurs, accueillir des chercheurs du monde entier pour utiliser les capacités avancées de la ligne de lumière.