Отправляет email-рассылки с помощью сервиса Sendsay

"Элементы": новости науки

Подписаться Бесплатная «Золотая» новостная рассылка Подписчиков 12.982 RSS
←   Сентябрь 2008   →
 1
 2
 3
 4
 5
 6
 7
 8
 9
10
11
12
13
14
15
16
17
18
19
20
21
22
23
24
25
26
27
28
29
30


За последние 60 дней ни разу не выходила


Сайт рассылки: http://elementy.ru
Открыта: 09-05-2006

Автор
Редакция сайта "Элементы"

Статистика

12.982 подписчиков
+2 за неделю
←   Все выпуски   →

Достигнут новый предел разрешения рентгеновского микроскопа


Эволюция как сопротивление энтропии

Эволюция как сопротивление энтропии

Биологическая эволюция не просто создает новые формы — она создает формы, устойчивые к дальнейшей эволюции.

Статья доктора биологических наук Виктора Щербакова

Достигнут новый предел разрешения рентгеновского микроскопа

15.09.2008

Рис. 1. Схематическое изображение синхротрона ESRF. Рис. с сайта www.esrf.eu
Рис. 1. Схематическое изображение синхротрона ESRF. Технические характеристики можно посмотреть здесь, анимацию принципа работы синхротрона — здесь. Рис. с сайта www.esrf.eu

Группе ученых из Дрезденского технического университета (Technische Universität Dresden, Германия) и Европейского центра синхротронного излучения (ESRF) в Гренобле (Франция) удалось получить изображение частицы золота размером всего 100 нанометров. Этот результат был достигнут с помощью усовершенствованной ими техники рентгеновской микроскопии с наилучшим на сегодняшний день разрешением — около 5 нм.

Рентгеновская микроскопия продолжает совершенствоваться, приближаясь к ангстремному разрешению (1 ангстрем = 1 × 10–10 м, то есть 0,1 нм) и открывая возможности для получения изображений исследуемых объектов на уровне одного атома. Конечно, рентгеновский микроскоп — не единственный способ изучения наноразмерных систем. Не стоит забывать также о сканирующих электронных (Scanning tunneling microscope), просвечивающих электронных (Transmission electron microscopy) и атомно-силовых микроскопах. Однако возникает закономерный воп! рос: почему ученые пытаются совершенствовать в основном рентгеновский микроскоп?

Дело в том, что упомянутые выше методики либо позволяют исследовать только поверхность образца (сканирующий микроскоп), либо сам образец должен обладать очень малой, порядка нанометра толщиной (просвечивающий микроскоп). А вот рентгеноскопия позволяет исследовать всю трехмерную структуру образца (а не только поверхность), независимо от его толщины и прочих геометрических характеристик. Важно еще то, что рентгеновское излучение обладает длиной волны 1 ангстрем ±2 порядка, и можно было бы ожидать, что соответствующее разрешение будет и у рентгеновского микроскопа. Безусловно, 1 ангстрем звучит очень перспективно, однако не всё так просто. Дело в том, что из-за аберрации и ограниченности числовой апертуры рентгеновской оптики пока удается получать изображения с разрешением лишь несколько десятков нанометров.

Некоторого увеличения пространственного разрешения можно добиться с помощью метода дифракционной когерентной рентгеновской микроскопии, которая не зависит от «капризов» рентгеновской оптики. В этом случае изображение исследуемого объекта получают, анализируя дифракционные картины, которые образуются при прохождении через предмет когерентного излучения. Когерентное излучение необходимо для получения четких дифракционных картин. Но и здесь существуют технические проблемы. Прежде всего, это создание источников когерентного излучения в рентгеновском диапазоне, а также трудоемкий в математическом плане процесс восстановления изображения объекта по его дифракционным картинам. Тем не менее это преодолеваемые трудности. Например, проблема когерентного источника может быть решена с помощью рентгеновского лазера. Большие надежды в связи с этим возлагаются на проект XFEL —! гигантский (длиной 3,4 км) лазер на свободных электронах, пуск которого запланирован на 2013 год. Ну а пока в его отсутствие пользуются менее грандиозными источниками излучения. Что же касается вычислительных проблем, связанных с обработкой данных, то они в настоящее время решаются мощными компьютерами. Также отметим, что успехи в направлении дифракционной когерентной рентгеновской микроскопии уже есть. Например, сравнительно недавно, как мы уже сообщали, было получено изображение вируса с помощью такого рентгеновского микроскопа с рекордным на тот момент разрешением 22 нм.

И вот недавно группе ученых из Германии и Франции удалось «апгрейдить» технологию дифракционной рентгеновской микроскопии и добиться разрешения уже порядка 5 нм. Свои результаты они опубликовали в журнале Physical Review Letters в статье Coherent X-Ray Diffraction Imaging with Nanofocused Illumination. Что нового привнесли авторы работы в уже существующую методику такого типа рентгеноскопии?

Известно, что увеличение потока рентгеновского излучения улучшает разрешение микроскопа. Так вот, ученым удалось сфокусировать (и это их главное достижение) рентгеновское излучение в пучок диаметром 100 нм, что позволило значительно увеличить поток излучения на объект. Время экспозиции объекта исследования ученым удалось при этом уменьшить (что немаловажно) до 10 минут.

Когерентное рентгеновское излучение в этой работе создавалось при помощи синхротрона ESRF (European Synchrotron Radiation Facility) — устройства, расположенного в Гренобле (см. рис. 1).

Рис. 2. (a) — схема получения дифракционного изображения исследуемого объекта под действием наносфокусированного когерентного рентгеновского луча; (b) — изображение кластера золотых частиц на нитрид-кремниевой мембране, полученное с помощью сканирующей микроскопии; (c) — дифракционное изображение отдельно взятой золотой частицы (указана стрелкой на рисунке b). Изображение из обсуждаемой статьи в Phys. Rev. Lett.
Рис. 2. (a) — схема получения дифракционного изображения исследуемого объекта под действием наносфокусированного когерентного рентгеновского луча; (b) — изображение кластера золотых частиц на нитрид-кремниевой мембране, полученное с помощью сканирующей микроскопии; (c) — дифракционное изображение отдельно взятой золотой частицы (указана стрелкой на рисунке b). Изображение из обсуждаемой статьи в Phys. Rev. Lett.

Исследовались очень маленькие (менее 100 нм) частицы золота, находящиеся на подложке (мембране) из нитрида кремния толщиной всего 50 нм. Наносфокусированный рентгеновский луч проходил через подложку с золотыми частицами, создавая таким образом дифракционную картину. Выбор в качестве предмета исследования золотых частичек обусловлен двумя причинами: они обладают, во-первых, сравнительно большим сечением рассеивания и, во-вторых, высокой радиационной стойкостью. Часть луча, которая непосредственно прошла через нитрид-кремниевую подложку, затормаживалась специальной заслонкой, дабы не искажать получаемую дифракционную картину. Грубо говоря, эта часть потока рентгеновского излучения не несет в себе информации об объекте, через который она прошла, так как она не подверглась дифракции.

Рис. 3. (a) — реконструированные изображения золотой частицы, полученные независимо друг от друга методом HIO (см. пояснения в тексте); (b) — окончательно «усредненное» изображение (распределение электронной плотности внутри) золотой частицы. Изображение из обсуждаемой статьи в Phys. Rev. Lett.
Рис. 3. (a) — реконструированные изображения золотой частицы, полученные независимо друг от друга методом HIO (см. пояснения в тексте); (b) — окончательно «усредненное» изображение (распределение электронной плотности внутри) золотой частицы. Изображение из обсуждаемой статьи в Phys. Rev. Lett.

Получающаяся дифракционная картина фиксировалась специальной камерой, которая находилась на расстоянии 1250 мм позади мембраны. Снимок дифракции рентгеновский лучей на единичной частице золота, сделанный этой камерой, представлен на рис. 2c. Далее следовала стандартная процедура: полученный снимок был использован для реконструкции структуры отдельно взятой золотой частицы с помощью так называемого hybrid input-output (HIO) метода (о его сути кратко «Элементы» уже писали). Результаты представлены на рис. 3.

Следует напомнить, что фразы «получение изображения с помощью оптического микроскопа» и «получение изображения с помощью рентгеновского микроскопа» имеют разный смысл. Когда речь идет о рентгеновской микроскопии, то под «изображением» следует понимать распределение электронной плотности внутри исследуемого объекта.

Также необходимо пояснить, что продвижение в пространственном разрешении рентгеновской микроскопии сопряжено с большими техническими трудностями, поскольку увеличение разрешения на один порядок должно сопровождаться увеличением дозы облучения приблизительно в 104 раз.

Тем не менее метод когерентной дифракционной рентгеноскопии имеет перспективное будущее. Например, программа исследований упомянутого выше ESRF на 2008-2017 гг. предусматривает совершенствование и активное использование данного метода, который не является разрушающим для исследуемых объектов и позволяет узнать детальное строение какой-либо отдельно взятой микро- или наноструктуры: квантовых точек, частиц в каталитических конвертерах, биологических клеток и т. п.

Источник: C. G. Schroer, P. Boye, J. M. Feldkamp, J. Patommel, A. Schropp, A. Schwab, S. Stephan, M. Burghammer, S. Schöder, C. Riekel. Coherent X-Ray Diffraction Imaging with Nanofocused Illumination // Physical Review Letters, 101, 090801 (2008).

Юрий Ерин

Эта новость на «Элементах»
 

Предыдущие новости

11.09 Выпущена полная сводка древнейших рептилий России и Монголии

Палеонтологический институт продолжает публикацию внушительной серии книг «Ископаемые позвоночные России и сопредельных стран». Только что вышел второй том — «Ископаемые рептилии и птицы. Часть I». Любители проверенной информации смогут наконец уточнить свои знания о наиболее древних рептилиях, узнать различные мнения об их систематике, происхождении и эволюции.

10.09 Цианобактерии — первопоселенцы высокогорных пустынь

В результате таяния высокогорных ледников на обнажившихся участках, с виду совершенно безжизненных, уже в первые годы развивается богатая микробная жизнь. Исследование, проведенное в Перуанских Андах, показало, что ключевую роль в пионерных микробных сообществах играют цианобактерии. Они насыщают почву органикой и азотом, подготавливая ее для заселения растениями.
В избранное