Let's Get Small:새로운 Argonne 방법으로 X선 나노단층촬영 해상도를 크게 향상

그것은 오랫동안 진실이었습니다. 단일 원자의 움직임과 행동을 연구하고 싶다면 전자 현미경으로 X선이 할 수 없는 것을 얻을 수 있습니다. X선은 샘플을 잘 투과합니다. 예를 들어 배터리가 충전 및 방전될 때 내부에서 어떤 일이 일어나는지 볼 수 있습니다. 그러나 역사적으로 전자와 같은 정밀도로 공간 이미지를 촬영할 수 없었습니다.

그러나 과학자들은 X선 기술의 이미지 해상도를 개선하기 위해 노력하고 있습니다. 그러한 방법 중 하나는 재료 내부의 비침습적 이미징을 가능하게 하는 X선 단층촬영입니다. 예를 들어, 미세 회로의 복잡성을 매핑하거나 보고 있는 물질을 파괴하지 않고 뇌의 뉴런을 추적하려면 X선 단층 촬영이 필요하며 해상도가 좋을수록 추적할 수 있는 현상이 더 작아집니다. X선 빔으로.

이를 위해 미국 에너지부(DOE)의 아르곤 국립 연구소가 이끄는 과학자 그룹이 하드 X선 나노 단층 촬영의 해상도를 향상시키는 새로운 방법을 개발했습니다. (나노단층촬영은 나노미터 단위의 엑스선 영상이다. 비교를 위해 인간의 평균 머리카락 너비는 10만 나노미터이다.) 연구팀은 Advanced Photon Source ( APS) 및 작은 규모에서 발생하는 문제를 보완하기 위해 새로운 컴퓨터 알고리즘을 만들었습니다. 이 방법을 사용하여 팀은 10나노미터 미만의 해상도를 달성했습니다. 연구원에 따르면 이러한 광학 및 알고리즘은 다른 X선 기술에도 적용할 수 있습니다.

APS의 빔라인 32-ID에서 사내 투과 X선 현미경(TXM)(CNM(Center for Nanoscale Materials)에서 제작한 특수 렌즈 포함)을 사용하여 팀은 X선 및 약 1시간 만에 고해상도 3D 이미지를 얻을 수 있습니다. 그러나 이러한 이미지조차도 원하는 해상도가 아니었기 때문에 팀은 이미지를 더욱 향상시키기 위해 새로운 컴퓨터 기반 기술을 고안했습니다.

팀이 수정하려고 했던 주요 문제는 샘플 드리프트와 변형이었습니다. 이러한 작은 규모에서 샘플이 빔 내에서 몇 나노미터 이동하거나 X-선 빔이 샘플 자체에 가장 작은 변화를 일으키는 경우 결과는 샘플의 3D 이미지에 모션 아티팩트가 됩니다. 이로 인해 후속 분석이 훨씬 더 어려워질 수 있습니다.

샘플 드리프트는 온도 변화를 포함하여 작은 규모의 모든 종류의 요인으로 인해 발생할 수 있습니다. 단층 촬영을 수행하려면 샘플도 빔 내에서 매우 정확하게 회전해야 하며, 이는 데이터에서 샘플 드리프트처럼 보이는 모션 오류로 이어질 수 있습니다. Argonne 팀의 새로운 알고리즘은 이러한 문제를 제거하여 더 선명하고 선명한 3D 이미지를 생성합니다.

팀은 여러 가지 방법으로 장비와 기술을 테스트했습니다. 먼저 그들은 노스웨스턴 대학의 케난 리(Kenan Li)가 제작했으며 현재는 DOE의 SLAC 국립 가속기 연구소에서 제작한 16나노미터 너비의 특징을 가진 작은 판의 2D 및 3D 이미지를 캡처했습니다. 그들은 판 구조의 작은 결함을 이미지화할 수 있었습니다. 그런 다음 X선을 사용하여 내부를 들여다보고 고해상도 이미지를 캡처하여 실제 전기화학 에너지 저장 장치에서 테스트했습니다. 그러나 그들은 이 기술을 개선할 여지가 여전히 있다고 생각합니다.

이 장비와 기술의 기능은 광학 및 감지기에 대한 지속적인 연구 개발 노력으로 향상되고 APS의 진행 중인 업그레이드의 이점을 얻을 것입니다. 완료되면 업그레이드된 시설은 현재 가능한 것보다 최대 500배 더 밝은 고에너지 X선 빔을 생성하고 X선 광학의 추가 발전으로 더 높은 해상도와 더 좁은 빔이 가능해집니다. 업그레이드 후에 그들은 8나노미터 이하로 밀어붙일 것이며 이것이 더 작은 규모의 연구를 위한 강력한 도구가 되기를 희망합니다.