让我们变小：新的 Argonne 方法大大提高了 X 射线纳米断层扫描的分辨率
长期以来，这是一个真理：如果你想研究单个原子的运动和行为，电子显微镜可以为你提供 X 射线所不能提供的东西。 X 射线擅长穿透样品——例如，它们可以让你看到电池在充电和放电时发生的情况——但从历史上看，它们无法以与电子相同的精度进行空间成像。
但科学家们正在努力提高 X 射线技术的图像分辨率。一种这样的方法是 X 射线断层扫描，它可以对材料内部进行非侵入性成像。例如，如果你想绘制微电路的复杂性，或者在不破坏你正在观察的材料的情况下追踪大脑中的神经元，你需要 X 射线断层扫描，而且分辨率越高，你可以追踪的现象就越小用 X 射线束。
为此，由美国能源部 (DOE) 阿贡国家实验室领导的一组科学家创造了一种提高硬 X 射线纳米断层扫描分辨率的新方法。 （纳米断层扫描是纳米级的 X 射线成像。相比之下，人类头发的平均宽度为 100,000 纳米。）该团队使用高级光子源（Advanced Photon Source）的强大 X 射线束构建了高分辨率 X 射线显微镜（ APS）并创建了新的计算机算法来弥补在小尺度上遇到的问题。使用这种方法，该团队实现了低于 10 纳米的分辨率。据研究人员称，这些光学和算法也适用于其他 X 射线技术。
在 APS 的 32-ID 光束线处使用内部透射 X 射线显微镜 (TXM)，包括在纳米材料中心 (CNM) 制造的特殊透镜，该团队能够利用 X 射线的独特特性和在大约一个小时内获得高分辨率的 3D 图像。但即使是这些图像的分辨率也不是很理想，因此该团队设计了一种新的计算机驱动技术来进一步改进它们。
该团队试图纠正的主要问题是样品漂移和变形。在这些小尺度上，如果样品在光束内移动，即使移动了几纳米，或者如果 X 射线束导致样品本身发生最轻微的变化，结果将是样品 3D 图像上的运动伪影。这会使后续分析变得更加困难。
样品漂移可能是由各种小尺度的因素引起的，包括温度变化。为了进行断层扫描，样品还必须在光束内非常精确地旋转，这会导致运动误差，看起来就像数据中的样品漂移。 Argonne 团队的新算法致力于消除这些问题，从而产生更清晰、更锐利的 3D 图像。
该团队以多种方式测试了他们的设备和技术。首先，他们拍摄了一块 16 纳米宽的小板的 2D 和 3D 图像，该板由时任美国西北大学、现在美国能源部 SLAC 国家加速器实验室的 Kenan Li 制造。他们能够对板结构中的微小缺陷进行成像。然后，他们在一个实际的电化学能量存储设备上对其进行了测试，使用 X 射线观察内部并捕获高分辨率图像。但是，他们觉得这项技术仍有改进的空间。
该仪器和技术的能力将随着对光学和探测器的持续研发努力而提高，并将受益于正在进行的 APS 升级。完成后，升级后的设施将产生比目前可能的亮度高达 500 倍的高能 X 射线束，并且 X 射线光学的进一步发展将使更窄的光束具有更高的分辨率。升级后，他们将推进8纳米及以下，希望这将成为越来越小尺度研究的有力工具。
传感器