Avec des microscopes à rayons X, les chercheurs du PSI regardent à l'intérieur des puces informatiques, catalyseurs, petits morceaux d'os, ou du tissu cérébral. La courte longueur d'onde des rayons X rend visibles des détails un million de fois plus petits qu'un grain de sable, des structures de l'ordre du nanomètre (millionièmes de millimètre). Comme dans un microscope normal, une lentille est utilisée pour recueillir la lumière diffusée par l'échantillon et forme une image agrandie sur la caméra. Petites structures, cependant, diffuser la lumière à de très grands angles. Pour obtenir une haute résolution dans l'image, une lentille de taille correspondante est nécessaire. « Il reste extrêmement difficile de produire des objectifs aussi grands, " déclare le physicien du PSI Klaus Wakonig :" Lorsque vous travaillez avec la lumière visible, il existe des objectifs capables de capturer de très grands angles de diffusion. Avec les rayons X, cependant, ceci est plus compliqué en raison de la faible interaction avec le matériau de la lentille. En conséquence, généralement, seuls de très petits angles peuvent être capturés, ou les lentilles sont plutôt inefficaces."

La nouvelle méthode développée par Wakonig et ses collègues contourne ce problème. "L'image finale est comme si nous avions mesuré avec un grand objectif, " explique le chercheur. L'équipe du PSI utilise une lentille petite mais efficace, tel qu'il est couramment appliqué en microscopie à rayons X, et le déplace sur une zone qu'un objectif idéal couvrirait. Cela crée pratiquement une grande lentille. "En pratique, nous allons à différents points avec l'objectif et prenons une photo à chaque endroit, " explique Wakonig. " Ensuite, nous utilisons des algorithmes informatiques pour combiner toutes les images afin de générer une image haute résolution. "

De la lumière visible aux rayons X

Normalement, les chercheurs évitent d'éloigner les lentilles des instruments de l'axe optique, car cela peut provoquer des distorsions d'image. Cependant, puisque les scientifiques dans ce cas connaissent la position exacte de la lentille et éclairent de nombreux points proches, ils peuvent reconstituer comment la lumière a été diffusée et à quoi ressemblait l'échantillon. La méthode, dite ptychographie de Fourier, a été utilisé pour la microscopie dans la région visible depuis 2013. Dans leurs expériences au PSI, les chercheurs ont pu appliquer ce principe à la microscopie à rayons X pour la première fois. "Au meilleur de notre connaissance, aucune mise en œuvre réussie de la ptychographie de Fourier aux rayons X n'a ​​été signalée jusqu'à présent, " écrivent les chercheurs dans Avancées scientifiques .

La nouvelle méthode offre non seulement une résolution plus élevée, mais aussi deux types complémentaires d'informations d'imagerie. Premièrement, il y a la mesure de la quantité de lumière absorbée par l'objet à imager, comme avec n'importe quel appareil photo normal. Pourtant en plus, la manière dont la lumière est réfractée est également enregistrée. Les experts parlent de contraste d'absorption et de contraste de phase. "Notre méthode fournit le contraste de phase, qui est autrement difficile à obtenir, pratiquement gratuitement, " dit Ana Diaz, scientifique de la ligne de lumière au PSI :"Cela améliore considérablement la qualité des images." Le contraste de phase permet même de tirer des conclusions sur les propriétés matérielles de l'échantillon examiné, ce qui n'est généralement pas possible avec les techniques d'imagerie normales.

Particulièrement intéressant pour les échantillons biologiques

Dans leurs expériences, l'échantillon que les chercheurs ont examiné était une puce de détection. À l'avenir, la nouvelle méthode pourrait être utilisée pour révéler, par exemple, comment fonctionne un catalyseur lorsqu'un gaz est ajouté, ou quand et comment le métal se brise sous pression.

Mais aussi les tissus et les agrégats cellulaires pourraient être mieux étudiés avec cette méthode. Les chercheurs espèrent que cela apportera de nouvelles informations sur le développement de maladies telles que la maladie d'Alzheimer ou l'hépatite. Diaz explique les avantages de la nouvelle méthode :« Les échantillons biologiques n'ont normalement pas un bon contraste d'absorption. Ici, le contraste de phase permet une qualité d'image considérablement améliorée. En outre, les chercheurs soupçonnent que la ptychographie de Fourier est plus douce que les méthodes précédentes. "Une comparaison avec la microscopie à rayons X normale indique que la nouvelle méthode nécessite une dose de rayonnement plus faible, parce que c'est plus efficace", dit Wakonig. "Cela pourrait être particulièrement intéressant pour les études d'échantillons biologiques."

Les chercheurs ont installé leur équipement de démonstration sur la ligne de lumière cSAXS de la source lumineuse suisse SLS. "Maintenant, les expériences sont encore assez complexes et demandent beaucoup de temps, " dit Diaz. Pour que la nouvelle méthode fonctionne, les rayons X utilisés doivent être à l'unisson :comme le disent les chercheurs, ils doivent être cohérents. De telles expériences nécessitent actuellement des installations de recherche à grande échelle telles que SLS. Mais Wakonig étudie également si la méthode pourrait être réalisée avec moins de cohérence. Si la technique pouvait être utilisée pour examiner des échantillons à des sources de rayons X de laboratoire habituelles, de nombreux domaines d'application supplémentaires s'ouvriraient.