La nuova lente a raggi X facilita lo sguardo nel nanomondo

Una microstruttura creata da una stampante 3D: l’innovativa struttura rifrangente sviluppata dagli scienziati del PSI e che combinata con un elemento diffrattivo, si traduce in una lente acromatica per raggi X, è lunga quasi un millimetro (o alta, come mostrato nella foto). Girato all’estremità, assomiglia a un razzo in miniatura. È stato creato da una stampante 3D utilizzando un tipo speciale di polimero. Questa immagine della struttura è stata catturata utilizzando un microscopio elettronico a scansione. Credito: Istituto Paul Scherrer/Umut Sanli

Gli scienziati del Paul Scherrer Institute hanno sviluppato una lente acromatica rivoluzionaria per i raggi X. Ciò consente ai fasci di raggi X di essere focalizzati accuratamente su un singolo punto anche se hanno lunghezze d’onda diverse. La nuova lente renderà molto più semplice lo studio delle nanostrutture utilizzando i raggi X, secondo un articolo appena pubblicato dai ricercatori sulla rivista scientifica Comunicazioni sulla natura.

Le lenti acromatiche sono essenziali per produrre immagini nitide in fotografia e microscopi ottici. Garantiscono che colori diversi, ovvero luce di diverse lunghezze d’onda, abbiano un punto focale comune. Ad oggi, tuttavia, le lenti acromatiche non sono state disponibili per i raggi X, quindi la microscopia a raggi X ad alta risoluzione è stata possibile solo con i raggi X monocromatici. In pratica, ciò significa che tutte le altre lunghezze d’onda devono essere filtrate fuori dallo spettro del fascio di raggi X e quindi solo una piccola parte della luce può essere utilizzata efficacemente, risultando in un processo di acquisizione delle immagini relativamente inefficiente.

Un team di scienziati del PSI ha ora risolto con successo questo problema sviluppando una lente a raggi X acromatica per raggi X. Poiché i raggi X possono rivelare strutture molto più piccole rispetto alla luce visibile, l’innovativa lente andrà a vantaggio in particolare del lavoro di ricerca e sviluppo in settori come microchip, batterie e scienza dei materiali, tra gli altri.

Più complesso che nel campo del visibile

Il fatto che ci sia voluto fino ad ora per sviluppare una lente acromatica per i raggi X può sembrare a prima vista sorprendente: per la luce visibile, le lenti acromatiche esistono da oltre 200 anni. Questi sono solitamente composti da due materiali diversi. La luce penetra nel primo materiale e si divide nei suoi colori spettrali, proprio come quando passa attraverso un prisma di vetro convenzionale. Quindi passa attraverso un secondo materiale per invertire questo effetto. In fisica, il processo di separazione delle diverse lunghezze d’onda è chiamato “dispersione”.

“Questo principio di base applicato nella gamma del visibile non funziona nella gamma dei raggi X, tuttavia”, spiega il fisico Christian David, capo del gruppo di ricerca X-Ray Optics and Applications presso il Laboratory for X-ray Nanoscience and Technologies del PSI. “Per i raggi X, non esistono coppie di materiali per i quali le proprietà ottiche differiscono sufficientemente su un ampio intervallo di lunghezze d’onda affinché un materiale controbilancia l’effetto dell’altro. In altre parole: la dispersione dei materiali nell’intervallo dei raggi X è molto simile.”

Due principi anziché due materiali

Quindi, invece di cercare la risposta nella combinazione di due materiali, gli scienziati hanno collegato insieme due diversi principi ottici. “Il trucco era capire che potevamo posizionare una seconda lente rifrattiva davanti alla nostra lente diffrattiva”, afferma Adam Kubec, autore principale del nuovo studio. Fino a poco tempo, Kubec era un ricercatore nel gruppo di Christian David e ora lavora per XRnanotech, uno spin-off emerso dalla ricerca di PSI sull’ottica a raggi X.

“Da molti anni PSI è leader mondiale nella produzione di lenti a raggi X”, afferma David. “Forniamo lenti specializzate, note come piastre di zona di Fresnel, per la microscopia a raggi X a sorgenti di luce di sincrotrone in tutto il mondo”. Il gruppo di ricerca di David utilizza metodi di nanolitografia consolidati per produrre lenti diffrattive. Tuttavia, per il secondo elemento della lente acromatica, la struttura rifrattiva, era necessario un nuovo metodo, disponibile solo di recente: la stampa 3D su scala micrometrica. Ciò alla fine ha permesso a Kubec di produrre una forma che ricorda vagamente un razzo in miniatura.

La nuova lente a raggi X facilita lo sguardo nel nanomondo

Dimostrazione dell’imaging STXM a diverse energie utilizzando l’acromatico. a) Immagini STXM del campione stellare Siemens mostrato nel pannello b ottenute con l’acromatico, indicando un intervallo acromatico di > 1 keV attorno all’energia ottimale di ~ 6,4 keV. b) Immagine SEM del campione di test stella Siemens. Le linee e gli spazi radiali (L/S) sugli anelli concentrici esterno ed interno hanno rispettivamente larghezze di 400 nm e 200 nm, vedi frecce rosse. c) Il confronto dei risultati STXM nell’intervallo di energia da 6,0 keV a 6,4 keV ottenuto con l’acromatico (in alto) e il convenzionale FZP (in basso). Mentre il contrasto delle immagini FZP cambia rapidamente con l’energia, la qualità dell’immagine ottenuta con l’acromatico varia solo di poco. Crediti: Comunicazioni sulla natura (2022). DOI: 10.1038/s41467-022-28902-8

Possibili applicazioni commerciali

La lente di nuova concezione consente il passaggio dall’applicazione di ricerca alla microscopia a raggi X nell’uso commerciale, ad esempio nell’industria. “Le sorgenti di sincrotrone generano raggi X di intensità così elevata che è possibile filtrare tutte le lunghezze d’onda tranne una singola, pur conservando abbastanza luce per produrre un’immagine”, spiega Kubec. Tuttavia, i sincrotroni sono strutture di ricerca su larga scala. Ad oggi, al personale di ricerca e sviluppo che lavora nell’industria è assegnato un tempo di fascio prestabilito per condurre esperimenti sui sincrotroni presso istituti di ricerca, tra cui la sorgente di luce svizzera SLS presso il PSI. Questo tempo del fascio è estremamente limitato, costoso e richiede una pianificazione a lungo termine.

“L’industria vorrebbe avere cicli di risposta molto più rapidi nei propri processi di ricerca e sviluppo”, afferma Kubec. “La nostra lente a raggi X acromatica aiuterà enormemente in questo: consentirà microscopi a raggi X compatti che le aziende industriali possono operare nei propri locali”.

Insieme a XRnanotech, PSI prevede di commercializzare il nuovo obiettivo. Kubec afferma di avere già contatti adeguati con aziende specializzate nella costruzione di strutture di microscopia a raggi X su scala di laboratorio.

Fascio di raggi X SLS utilizzato per i test

Per caratterizzare la loro lente a raggi X acromatica, gli scienziati hanno utilizzato una linea di raggi X all’SLS. Uno dei metodi impiegati è una tecnica di microscopia a raggi X altamente sviluppata chiamata ptychography. “Questa tecnica viene normalmente utilizzata per esaminare un campione sconosciuto”, afferma il secondo autore dello studio, Marie-Christine Zdora, un fisico che lavora nel gruppo di ricerca di Christian David ed esperta di imaging a raggi X. “D’altra parte abbiamo usato la psichografia per caratterizzare il raggio di raggi X e quindi la nostra lente acromatica”. Ciò ha consentito agli scienziati di rilevare con precisione la posizione del punto focale dei raggi X a diverse lunghezze d’onda.

Hanno inoltre testato la nuova lente utilizzando un metodo in cui il campione viene spostato attraverso la messa a fuoco del raggio di raggi X in piccoli passaggi raster. Quando la lunghezza d’onda del raggio di raggi X viene modificata, le immagini prodotte con una lente a raggi X convenzionale diventano molto sfocate. Questo, tuttavia, non accade quando si utilizza la nuova lente acromatica. “Quando alla fine abbiamo ottenuto un’immagine nitida del campione di prova su un’ampia gamma di lunghezze d’onda, sapevamo che il nostro obiettivo funzionava”, afferma Zdora entusiasta.

David aggiunge: “Il fatto che siamo stati in grado di sviluppare questa lente acromatica per raggi X al PSI e che presto la lanceremo sul mercato con XRnanotech dimostra che il tipo di ricerca che facciamo qui può portare ad applicazioni pratiche in un brevissimo periodo di volta.”


I ricercatori stampano in 3D micro-ottiche complesse con prestazioni di imaging migliorate


Maggiori informazioni:
Adam Kubec et al, Una lente a raggi X acromatica, Comunicazioni sulla natura (2022). DOI: 10.1038/s41467-022-28902-8

Fornito dall’Istituto Paul Scherrer

Citazione: La nuova lente a raggi X facilita lo sguardo nel nanomondo (2022, 14 marzo) recuperata il 15 marzo 2022 da https://phys.org/news/2022-03-x-ray-lens-glimpse-nanoworld.html

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