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Microscopios de Rayos X diez veces más rápidos y en 3D

En comparación con los microscopios de luz convencionales, los microscopios de rayos X (TXM) pueden ver muestras con una resolución mucho mayor, revelando detalles extraordinarios. Los investigadores en una amplia gama de campos científicos utilizan TXM para ver la composición química y estructural de sus muestras, desde celdas biológicas hasta materiales de almacenamiento de energía.

Ahora, los científicos de National Synchrotron Light Source II (NSLS-II) —una oficina de ciencia del Departamento de Energía del Departamento de Energía de los EE. UU—  han desarrollado un TXM que puede obtener imágenes 10 veces más rápido que antes. Ha sido posible en el Laboratorio Nacional Brookhaven y su investigación se publica en Applied Physics Letters.

“Hemos mejorado significativamente la velocidad de los experimentos de microscopía de rayos X”, dijo Wah-Keat Lee, científico líder de la línea de haz de Imágenes de Rayos X de Campo Completo (FXI) de NSLS-II , donde se construyó el microscopio.

Wah-Keat Lee y sus colegas redujeron el tiempo que tarda un TXM en obtener muestras de imágenes en 3D de más de 10 minutos a solo un minuto, mientras que aún producen imágenes con una excepcional resolución 3D, por debajo de 50 nanómetros o 50 mil millonésimas de una metro. “Este avance permitirá a los científicos visualizar sus muestras mucho más rápido en FXI que en instrumentos similares en todo el mundo”, dijo Lee.
Además de reducir el tiempo que lleva completar un experimento, un TXM más rápido puede recopilar datos más valiosos de las muestras.

Los científicos utilizaron la línea de haz de imágenes de rayos X de campo completo de NSLS-II para crear una animación en 3D del crecimiento de dendritas de plata en cobre durante una reacción química. (Imágenes: Brookhaven National Laboratory)

Muestras en 3D y en tiempo real

“El santo grial de casi todas las técnicas de imagen es poder ver una muestra en 3-D y en tiempo real”, dijo Lee. “La velocidad de estos experimentos es relevante porque queremos observar cambios que ocurren rápidamente. Hay muchos cambios estructurales y químicos que ocurren en diferentes escalas de tiempo, por lo que un instrumento más rápido puede ver mucho más. Por ejemplo, tenemos la capacidad de rastrear cómo se produce la corrosión en un material, o cómo de bien están funcionando las distintas partes de una batería “.

Para ofrecer estas capacidades en FXI, el equipo necesitaba construir un TXM utilizando los últimos desarrollos en nano posicionamiento ultrarrápido (un método para mover una muestra al tiempo que limita las vibraciones), la detección (un método para rastrear el movimiento de la muestra) y el control.

El nuevo microscopio se desarrolló internamente en Brookhaven Lab a través de un esfuerzo de colaboración entre los ingenieros, el personal de la línea de luz y los equipos de investigación y desarrollo en NSLS-II.
Los investigadores dijeron que el desarrollo de capacidades súper rápidas en FXI también dependía en gran medida del diseño avanzado de NSLS-II.

Microscopio Rayos X
Los científicos de NSLS-II Scott Coburn (izquierda) y Wah-Keat Lee (derecha) se muestran en la línea de luz de Imágenes de Rayos X de Campo Completo, donde científicos e ingenieros han construido un microscopio de rayos X de transmisión que puede tomar muestras 10 veces más rápido que antes posible. (Foto: BNL)

“Nuestra capacidad para hacer FXI más de 10 veces más rápido que cualquier otro instrumento en el mundo también se debe a la poderosa fuente de rayos X en NSLS-II”, dijo Lee. “En NSLS-II, tenemos dispositivos llamados damping wigglers (amortiguadores de amortiguación), que se utilizan para lograr los haces de electrones muy pequeños para la instalación. Afortunadamente para nosotros, estos dispositivos también producen una gran cantidad de rayos X. La cantidad de estos poderosos rayos X se relaciona directamente con la velocidad de nuestros experimentos “.

Usando las nuevas capacidades en FXI, los investigadores imaginaron el crecimiento de las dendritas de plata en un pedazo de cobre. En un solo minuto, la línea de luz capturó 1060 imágenes 2D de la muestra y las reconstruyó para formar una instantánea 3D de la reacción. Repitiendo esto, los investigadores pudieron formar una animación tridimensional minuto por minuto de la reacción química.

“Elegimos crear una imagen de esta reacción porque demuestra el poder del FXI“, dijo Mingyuan Ge, autor principal de la investigación y científico de NSLS-II. “La reacción es conocida, pero nunca se ha visualizado en 3D con un tiempo de adquisición tan rápido. Además, nuestra resolución espacial es de 30 a 50 veces más fina que la microscopía óptica utilizada en el pasado “.

Microscopio RX
El equipo de investigación de la línea de haz de imágenes de rayos X de campo completo de NSLS-II. En la foto, de izquierda a derecha, Xianghui Xiao, Weihe Xu, Huijuan Xu, Mingyuan Ge, Wah-Keat Lee, Scott Coburn, Kazimierz Gofron y Evgeny Nazaretski.

Con la finalización de esta investigación, FXI comenzó sus operaciones generales de usuarios, dando la bienvenida a investigadores de todo el mundo para que usen las capacidades avanzadas de la línea de luz. Brookhaven National Laboratory cuenta con el respaldo de la Oficina de Ciencia del Departamento de Energía de los Estados Unidos. La Oficina de Ciencia es el principal defensor de la investigación básica en ciencias físicas en los Estados Unidos, y está trabajando para abordar algunos de los desafíos más apremiantes de nuestro tiempo. Para obtener más información, visite science.energy.gov.

Leer publicación completa: Mingyuan Ge et al. One-minute nano-tomography using hard X-ray full-field transmission microscope, Applied Physics Letters (2018). DOI: 10.1063/1.5048378

Fuente: Brookhaven National Laboratory