(Phys.org) -- Un nouveau microscope à rayons X sonde les subtilités internes de matériaux plus petits que les cellules humaines et crée des images 3D haute résolution sans précédent. En intégrant des calibrations automatiques uniques, les scientifiques du laboratoire national de Brookhaven du département américain de l'Énergie sont capables de capturer et de combiner des milliers d'images avec une vitesse et une précision supérieures à tout autre microscope. L'observation directe de structures de 25 nanomètres offrira des avancées fondamentales dans de nombreux domaines, y compris la recherche énergétique, sciences environnementales, la biologie, et la défense nationale.

Ce microscope à rayons X à transmission plein champ innovant (TXM), financé par l'American Reinvestment and Recovery Act, a été développé et mis en service à Brookhaven Lab’s National Synchrotron Light Source (NSLS), qui fournit la source de rayons X nécessaire pour capturer des images à l'échelle nanométrique. Un nouvel article publié dans Applied Physics Letters d'avril 2012 détaille le succès expérimental d'un système révolutionnaire qui combine rapidement des images 2D prises sous tous les angles pour former des constructions 3D numériques.

« Nous pouvons réellement voir la structure 3D interne des matériaux à l'échelle nanométrique, " a déclaré le physicien de Brookhaven Jun Wang, auteur principal de l'article et chef de l'équipe qui a d'abord proposé ce TXM. « L'appareil fonctionne à merveille, et il surmonte plusieurs obstacles majeurs pour les microscopes à rayons X. Nous sommes ravis de voir comment cette technologie va pousser la recherche. »

Construire une dimension supplémentaire

L'équipe de Wang a examiné, par exemple, une électrode de 20 micromètres provenant d'une batterie lithium-ion – aussi fine qu'un cheveu humain. L'interaction interne des pores et des particules détermine les performances énergétiques de la batterie, et l'examen de cette activité nécessite une connaissance précise de la structure à l'échelle nanométrique.

L'équipe de Wang a pris 1, 441 images 2D de l'électrode alors qu'une machine faisait tourner le minuscule échantillon de matériau pour capturer tous les angles possibles. Le défi consiste alors à convertir ces images séparées en une structure 3D unique, dans laquelle chaque nanomètre fait la différence. À cette échelle, les oscillations habituelles d'un micron ont une échelle similaire à celle de prendre un portrait et de faire sauter le sujet de plusieurs pieds de chaque côté.

Avant ce nouveau système, les scientifiques devaient aligner manuellement chaque image ou utiliser un logiciel pour interpréter lentement les changements. Cela a eu deux effets limitatifs majeurs sur le processus :premièrement, l'échantillon doit avoir des caractéristiques internes nettes ou être marqué pour fournir des lignes directrices, ce qui peut limiter les types de matériaux ; et deuxieme, l'alignement manuel demande tellement de temps que le nombre total d'images atteint des centaines. Le TXM de Brookhaven change cela.

Pour la première fois, le spécimen est monté au sommet d'une plate-forme avec trois capteurs qui mesurent les déplacements nanométriques dans n'importe quelle direction lorsque la batterie tourne et que le microscope prend des photos. L'ordinateur enregistrant les images, après étalonnage à l'aide d'une sphère en or, compense ensuite automatiquement tout décalage et assemble avec précision les images dans la construction tridimensionnelle finale. L'ensemble du processus ne prend que quatre heures, et cela doit plus aux rayons X disponibles auprès du NSLS qu'au microscope ou à l'ordinateur.

L'avenir de la 3D

Source de lumière synchrotron nationale II de Brookhaven (NSLS-II), mise en ligne prévue en 2015, exploitera les capacités de ce TXM à une échelle encore plus radicale. Imaginant que la batterie lithium-ion a pris 10, 000 secondes sur NSLS, mais avec le flux de faisceau plus élevé de la nouvelle source lumineuse, ou luminosité des rayons X, ce sera 1, 000 fois plus rapide, réduire ce temps à seulement 10 secondes.

En plus de l'observation structurelle directe, le TXM fera également progresser la compréhension élémentaire et chimique des matériaux. Maintenir un grossissement constant pendant l'imagerie spectroscopique, qui examine les façons uniques dont la matière interagit avec le rayonnement, les scientifiques seront en mesure d'identifier les configurations chimiques individuelles au sein des échantillons. Des recherches sont actuellement en cours par l'équipe de Wang pour démontrer cette capacité.

Nanoimagerie pour l'industrie et la sécurité nationale

Le TXM a été acheté avec le soutien de l'American Recovery and Reinvestment Act, visant à stimuler l'activité économique et à créer des emplois. Xradia, une entreprise californienne spécialisée dans la microscopie à rayons X 3D, construit le nouvel appareil. Les physiciens du Brookhaven Lab ont travaillé en étroite collaboration avec les ingénieurs de Xradia, expliquant leurs objectifs de recherche spécifiques et leurs besoins de performance.

«Ce fut une collaboration très fructueuse, et Xradia a été notre partenaire essentiel dans ce projet, ", a déclaré Wang. « Nous sommes toujours en contact fréquent pour leur faire part de leurs retours sur les performances du microscope, afin que les futures innovations de conception puissent être apportées.

Alors que le nouveau TXM se concentrera probablement sur les carburants énergétiques alternatifs et les solutions de stockage, les connaissances fondamentales ont déjà été appliquées aux structures racinaires des plantes, catalyseurs, et de l'électronique de pointe. Le succès démontré du système d'imagerie 3D a déjà suscité l'intérêt des utilisateurs commerciaux, avec de grandes entreprises telles que UOP et IBM, la planification du temps au TXM. La Defense Advanced Research Projects Agency (DARPA) prévoit également d'utiliser le nouveau microscope pour sonder les structures complexes des micropuces importées dans l'intérêt de la sécurité nationale.