Una nueva lente de rayos X facilita la visión del nanomundo
Junto con la empresa derivada XRnanotech, PSI planea comercializar la nueva lente
Los científicos del PSI han desarrollado una innovadora lente acromática para rayos X. Esto permite enfocar con precisión los haces de rayos X en un solo punto aunque tengan diferentes longitudes de onda. La nueva lente facilitará mucho el estudio de nanoestructuras con rayos X, según un artículo que acaban de publicar los investigadores en la revista científica Nature Communications.
Una microestructura creada por una impresora 3D: la innovadora estructura refractiva desarrollada por los científicos del PSI y que, combinada con un elemento difractivo, da lugar a una lente acromática de rayos X, mide casi un milímetro de largo (o de alto, como se ve en la foto). Girado sobre su extremo, se asemeja a un cohete en miniatura. Fue creado por una impresora 3D utilizando un tipo especial de polímero. Esta imagen de la estructura se capturó con un microscopio electrónico de barrido.
Paul Scherrer Institut/Umut Sanli
Las lentes acromáticas son esenciales para producir imágenes nítidas en la fotografía y los microscopios ópticos. Garantizan que los distintos colores -es decir, la luz de diferentes longitudes de onda- tengan un punto focal común. Sin embargo, hasta ahora no se disponía de lentes acromáticas para los rayos X, por lo que la microscopía de rayos X de alta resolución sólo ha sido posible con rayos X monocromáticos. En la práctica, esto significa que todas las demás longitudes de onda tienen que ser filtradas del espectro del haz de rayos X y, por tanto, sólo se puede utilizar eficazmente una pequeña parte de la luz, lo que da lugar a un proceso de captura de imágenes relativamente ineficiente.
Un equipo de científicos del PSI ha resuelto este problema desarrollando con éxito una lente acromática para rayos X. Dado que los rayos X pueden revelar estructuras mucho más pequeñas que la luz visible, la innovadora lente beneficiará especialmente los trabajos de I+D en sectores como los microchips, las baterías y la ciencia de los materiales, entre otros.
Más complejo que en el rango visible
El hecho de que se haya tardado en desarrollar una lente acromática para los rayos X puede parecer sorprendente a primera vista: para la luz visible, las lentes acromáticas existen desde hace más de 200 años. Suelen estar compuestas por dos materiales diferentes. La luz penetra en el primer material y se divide en sus colores espectrales, como cuando pasa por un prisma de cristal convencional. A continuación, pasa a través de un segundo material para invertir este efecto. En física, el proceso de separación de las diferentes longitudes de onda se llama "dispersión".
"Sin embargo, este principio básico aplicado en el rango visible no funciona en el rango de los rayos X", explica el físico Christian David, jefe del grupo de investigación de Óptica de Rayos X y Aplicaciones del Laboratorio de Nanociencia y Tecnologías de Rayos X del PSI. "Para los rayos X, no existe ningún par de materiales cuyas propiedades ópticas difieran lo suficiente en una amplia gama de longitudes de onda como para que un material contrarreste el efecto del otro. En otras palabras: la dispersión de los materiales en el rango de los rayos X es demasiado similar".
Dos principios en lugar de dos materiales
Así que, en lugar de buscar la respuesta en la combinación de dos materiales, los científicos vincularon dos principios ópticos diferentes. "El truco fue darse cuenta de que podíamos colocar una segunda lente refractiva delante de nuestra lente difractiva", dice Adam Kubec, autor principal del nuevo estudio. Hasta hace poco, Kubec era investigador del grupo de Christian David, y ahora trabaja para XRnanotech, una empresa derivada de la investigación del PSI en óptica de rayos X.
"Desde hace muchos años, el PSI es líder mundial en la producción de lentes de rayos X", dice David. "Suministramos lentes especializadas, conocidas como placas de zona Fresnel, para la microscopía de rayos X en fuentes de luz de sincrotrón de todo el mundo". El grupo de investigación de David utiliza métodos establecidos de nanolitografía para producir lentes difractivas. Sin embargo, para el segundo elemento de la lente acromática -la estructura de refracción-, se necesitaba un nuevo método que acaba de estar disponible: La impresión 3D a escala micrométrica. Esto permitió a Kubec producir una forma que se asemeja vagamente a un cohete en miniatura.
Posibles aplicaciones comerciales
La lente recién desarrollada permite dar el salto de la aplicación en investigación a la microscopía de rayos X de uso comercial, por ejemplo en la industria. "Las fuentes de sincrotrón generan rayos X de una intensidad tan alta que es posible filtrar todos los rayos excepto una sola longitud de onda, conservando al mismo tiempo suficiente luz para producir una imagen", explica Kubec. Sin embargo, los sincrotrones son instalaciones de investigación a gran escala. Hasta la fecha, al personal de I+D que trabaja en la industria se le asigna un tiempo de haz determinado para realizar experimentos en los sincrotrones de los institutos de investigación, incluida la Swiss Light Source SLS del PSI. Este tiempo de haz es extremadamente limitado, caro y requiere una planificación a largo plazo. "A la industria le gustaría tener bucles de respuesta mucho más rápidos en sus procesos de I+D", afirma Kubec. "Nuestra lente acromática de rayos X ayudará enormemente a ello: Permitirá disponer de microscopios de rayos X compactos que las empresas industriales podrán utilizar en sus propias instalaciones."
Junto con XRnanotech, PSI tiene previsto comercializar la nueva lente. Kubec afirma que ya tienen contactos adecuados con empresas especializadas en la construcción de instalaciones de microscopía de rayos X a escala de laboratorio.
Haz de rayos X SLS utilizado para las pruebas
Para caracterizar su lente acromática de rayos X, los científicos utilizaron una línea de rayos X en el SLS. Uno de los métodos empleados allí es una técnica de microscopía de rayos X muy desarrollada llamada ptychography. "Esta técnica se utiliza normalmente para examinar una muestra desconocida", explica la segunda autora del estudio, Marie-Christine Zdora, física que trabaja en el grupo de investigación de Christian David y experta en imágenes de rayos X. "Nosotros, en cambio, utilizamos la pictografía para caracterizar el haz de rayos X y, por tanto, nuestra lente acromática". Esto permitió a los científicos detectar con precisión la ubicación del punto focal de los rayos X en diferentes longitudes de onda.
Además, probaron la nueva lente utilizando un método en el que la muestra se mueve a través del foco del haz de rayos X en pequeños pasos de trama. Cuando se cambia la longitud de onda del haz de rayos X, las imágenes producidas con una lente de rayos X convencional se vuelven muy borrosas. Sin embargo, esto no ocurre cuando se utiliza la nueva lente acromática. "Cuando obtuvimos una imagen nítida de la muestra de prueba en una amplia gama de longitudes de onda, supimos que nuestra lente funcionaba", afirma Zdora con gran satisfacción.
David añade: "El hecho de que hayamos sido capaces de desarrollar esta lente acromática de rayos X en el PSI y de que pronto la vayamos a comercializar con XRnanotech demuestra que el tipo de investigación que hacemos aquí puede dar lugar a aplicaciones prácticas en muy poco tiempo."
Nota: Este artículo ha sido traducido utilizando un sistema informático sin intervención humana. LUMITOS ofrece estas traducciones automáticas para presentar una gama más amplia de noticias de actualidad. Como este artículo ha sido traducido con traducción automática, es posible que contenga errores de vocabulario, sintaxis o gramática. El artículo original en Inglés se puede encontrar aquí.
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