長期以來，這一直是一個真理：如果你想研究單個原子的運動和行為，電子顯微鏡可以提供X射線無法提供的東西。X射線善于穿透樣品，例如，它可以讓你看到電池內部在充電和放電時發生了什么，但是從歷史上看，它們無法像電子那樣精確地進行空間成像。
但是科學家們正在努力提高X射線技術的圖像分辨率。其中一種方法是X射線斷層掃描，它能夠對材料的內部進行非侵入性成像。例如，如果你想繪制一個微電路的錯綜復雜的圖，或追蹤大腦中的神經元而不破壞所觀察的材料，你需要X射線斷層掃描，而且分辨率越高，可以用X射線束追蹤的現象就越小。
為此，由美國能源部(DOE)阿貢國家實驗室領導的一組科學家創造了一種新的方法來提高硬X射線納米斷層攝影的分辨率。(納米層析是以納米為尺度的X射線成像。作為比較，一根普通人的頭發有100,000納米寬)。) 該團隊利用高級光子源(APS)的強大X射線束建造了一個高分辨率的X射線顯微鏡，并創建了新的計算機算法來補償在微小尺度上遇到的問題。利用這種方法，該團隊實現了低于10納米的分辨率。
"我們希望達到10納米或更好的水平，"阿貢X射線科學部(XSD)光學組的物理學家Michael Wojcik說。"我們為納米層析學開發了這個，因為我們可以比其他方法更快地獲得10納米范圍內的三維信息，但光學和算法也適用于其他X射線技術。"
使用APS光束線32-ID的內部透射X射線顯微鏡(TXM)--包括由Wojcik在納米材料中心(CNM)制作的特殊鏡頭--該團隊能夠利用X射線的獨特特性，在大約一個小時內獲得高分辨率的3D圖像。但即使是這些圖像也沒有達到理想的分辨率，因此該團隊設計了一種新的計算機驅動技術來進一步改善它們。
該團隊試圖糾正的主要問題是樣品漂移和變形。在這些小范圍內，如果樣品在光束內移動，哪怕是幾納米，或者如果X射線束在樣品本身造成哪怕是最輕微的變化，其結果將是樣品的三維圖像上出現運動偽影。這可能會使后續分析變得更加困難。
在那么小的范圍內，樣品漂移可以由各種事物引起，包括溫度的變化。為了進行斷層掃描，樣品也必須在光束中非常精確地旋轉，這可能導致運動誤差，在數據中看起來像樣品漂移。阿貢團隊的新算法致力于消除這些問題，從而獲得更清晰、更鮮明的三維圖像。
"我們開發了一種算法，可以補償漂移和變形，"阿貢大學XSD研究助理Viktor Nikitin說。"當應用標準的三維重建方法時，我們實現了16納米范圍內的分辨率，但通過該算法，我們將其降低到10納米。"
研究小組以幾種方式測試了他們的設備和技術。首先，他們拍攝了一個具有16納米寬特征的小板的二維和三維圖像，這個小板是由Kenan Li制造的，他當時來自西北大學，現在在DOE的SLAC國家加速器實驗室工作。他們能夠對該板的結構中的微小缺陷進行成像。然后他們在一個實際的電化學儲能裝置上進行了測試，使用X射線窺視內部并捕捉高分辨率的圖像。
文森特-德-安德拉德(Vincent de Andrade)是這項研究時阿貢的一名光束線科學家，他是該論文的主要作者。"即使這些結果很突出，"他說，"這種新技術仍有很大的空間可以變得更好。"
這個儀器和技術的能力將隨著光學和探測器的持續研發工作而提高，并將受益于正在進行的APS的升級。當完成后，升級后的設施將產生高能X射線光束，其亮度是目前可能的500倍，而X射線光學技術的進一步發展將使更窄的光束具有更高的分辨率。
"升級后，我們將推動8納米及以下的分辨率，"尼基丁說。"我們希望這將是一個在越來越小的尺度上進行研究的強大工具。"
該團隊的研究發表在《先進材料》上。
