En 1999, Le professeur de l'UCLA, John Miao, a mis au point une technique appelée imagerie diffractive cohérente, ou CDI, qui permet aux scientifiques de recréer la structure 3D d'échantillons non cristallins ou de nanocristaux. La réalisation était extrêmement importante car bien que la cristallographie aux rayons X ait longtemps permis aux scientifiques de déterminer la structure atomique d'une grande variété de molécules, y compris l'ADN, il ne fonctionne pas pour les matériaux non cristallins utilisés dans une variété de disciplines, y compris la physique, chimie, la science des matériaux, nanosciences, géologie et biologie.
Un article de Miao et de ses collègues dans le dernier numéro de Science passe en revue et analyse le développement rapide des sources de rayons X brillantes que les scientifiques du monde entier ont utilisées pour un large éventail d'applications de son invention dans les sciences physiques et biologiques.
Le CDI est maintenant utilisé dans un plus large éventail d'applications que Miao ne l'avait imaginé, et la technique est devenue de plus en plus importante pour les scientifiques explorant les frontières de la nanoscience observable.
Miao, professeur de physique et d'astronomie, ont trouvé qu'en éclairant un échantillon non cristallin avec un laser brillant, ou cohérent, Radiographie, il pourrait utiliser un détecteur sans lentille pour enregistrer le motif, ou diffraction, des rayons X diffusants. Il a ensuite recréé la structure 3D de l'échantillon en développant des algorithmes avancés de récupération de phase appliqués au motif de diffraction, c'est pourquoi sa technique est parfois appelée imagerie sans lentille.
Le CDI a transformé la vision conventionnelle de la microscopie en remplaçant la lentille physique par un algorithme informatique. En évitant l'utilisation de lentilles, CDI peut obtenir des images d'objets à l'échelle nanométrique avec une haute résolution et un contraste élevé. Il présente également des avantages par rapport à d'autres techniques d'imagerie telles que la microscopie électronique, car il peut être utilisé pour imager des échantillons épais en trois dimensions.
Cette puissante technique d'imagerie devrait maintenant élargir considérablement notre compréhension d'un large éventail de phénomènes dynamiques en physique, chimie et microélectronique; par exemple, transitions de phase, lorsque les substances changent rapidement d'un état à un autre.
Le CDI est idéal pour la caractérisation 3D quantitative de matériaux à l'échelle nanométrique pour plusieurs raisons. Les rayons X ont une profondeur de pénétration plus grande que les électrons, ainsi les échantillons dans un microscope électronique sont détruits par le puissant faisceau d'électrons du microscope lorsqu'ils sont imagés, mais les rayons X du CDI peuvent souvent éviter la destruction des échantillons. Le CDI permet également des produits chimiques à l'échelle nanométrique, élémentaire, et cartographie magnétique 3D de la matière complexe.
En science des matériaux, Le CDI a été utilisé pour déterminer le premier champ de déformation 3D et le tenseur de déformation complet à l'intérieur de nanocristaux individuels avec une résolution à l'échelle nanométrique, une clé pour comprendre et gérer la tension, ce qui est fondamental pour concevoir et mettre en œuvre des nanomatériaux tels que ceux utilisés dans l'électronique à grande vitesse. Le CDI a également rendu possible la première imagerie 3D de cristaux minéraux à l'intérieur des os à l'échelle nanométrique, donnant une bien meilleure compréhension de la structure moléculaire de l'os.
Dans les batteries lithium-ion, lorsque le matériau de l'électrode stocke une charge électrique, le matériau subit une transition de phase qui réduit la durée de vie de la batterie. Avec CDI, les scientifiques peuvent mieux comprendre comment les batteries lithium-ion peuvent être conçues pour stocker plus d'énergie et durer plus longtemps sans se fissurer.
