來自自由電子激光科學(xué)中心（CFEL）的科學(xué)家Sasa Bajt領(lǐng)導(dǎo)的該研究小組利用新材料完善了專用X射線光學(xué)器件的設(shè)計(jì)，實(shí)現(xiàn)了直徑小于10納米的焦斑尺寸。納米是百萬分之一毫米，比大多數(shù)病毒顆粒還要小。
技術(shù)難點(diǎn)
現(xiàn)代粒子加速器能夠提供超高亮度和高質(zhì)量的X射線束。X射線較短的波長(zhǎng)和較好的穿透性能是對(duì)一些復(fù)雜材料進(jìn)行顯微鏡研究的理想選擇。然而，充分利用這些特性需要在產(chǎn)生X射線狀態(tài)下高效且?guī)缀跬昝赖墓鈱W(xué)器件。盡管許多研究人員已經(jīng)在全球范圍內(nèi)進(jìn)行了廣泛的努力，但結(jié)果表明這項(xiàng)工作比預(yù)期的更加困難，而且能夠解決成像小于10納米的X射線顯微鏡仍然是一個(gè)不小的挑戰(zhàn)。
由于X射線的特性，它不像可見光那樣容易聚焦。而解決聚焦問題的其中一種方法就是使用一種被稱為多膜層勞厄透鏡（MLL）的專用X射線光學(xué)器件——這些鏡片由兩種不同材料（具有納米厚度）的交替層組成，它們主要是由一個(gè)稱為濺射沉積的工藝制備而成的。
與傳統(tǒng)的光學(xué)元件不同，多膜層勞厄透鏡不會(huì)折射光線，而是通過衍射入射的X射線來將光束聚焦在一個(gè)小的斑點(diǎn)上。為了達(dá)到這個(gè)目的，材料的層厚度必須被精確地控制，鏡片的厚度和方向都必須逐漸改變。焦點(diǎn)尺寸與多膜層勞厄透鏡結(jié)構(gòu)中的最小層厚度成比例。
Bajt給出的解決方案
為了達(dá)到所要求的精度，Bajt領(lǐng)導(dǎo)的研究團(tuán)隊(duì)在對(duì)材料特性（這些特性通常隨結(jié)構(gòu)層的厚度而發(fā)生變化）進(jìn)行了詳細(xì)的了解過后，結(jié)合了一種新穎的制造工藝制備了一種新的鏡頭。這種制備的新鏡頭包括了超過10000層由新材料組合（碳化鎢和碳化硅材料組成）形成的交替層。Bajt強(qiáng)調(diào)：“選擇合適的材料組合是成功的關(guān)鍵。當(dāng)然，我們不排除其他材料組合也可行，但它絕對(duì)是我們現(xiàn)在所知道的里面最好的”。
為了將X射線束在垂直和水平方向上聚焦，必須使其穿過兩個(gè)垂直定向的透鏡。通過使用這種設(shè)置，Bajt團(tuán)隊(duì)在美國(guó)布魯克海文國(guó)家實(shí)驗(yàn)室的國(guó)家同步輻射光源NSLS II的X射線納米探針實(shí)驗(yàn)站上測(cè)量了8.4納米x6.8納米的光點(diǎn)尺寸。結(jié)果表明新鏡頭的分辨率比一般的光學(xué)鏡頭要高出5倍左右。
Bajt說道：“我們利用高效率透鏡得到了世界上最小的X射線焦點(diǎn)。由于具有穿透性，X射線通常會(huì)直接通過透鏡材料。這樣的光線顯然對(duì)聚焦沒有太大貢獻(xiàn)，因此一個(gè)長(zhǎng)期的目標(biāo)就是研究出能夠增強(qiáng)與X射線相互作用的透鏡結(jié)構(gòu)，將更多部分的射線轉(zhuǎn)換成焦點(diǎn)。我們研發(fā)的這款新鏡頭的效率超過了80％。這種高效率是由組成透鏡的分層結(jié)構(gòu)所賦予的，并且，這款透鏡可以像人造晶體一樣以受控的方式對(duì)X射線進(jìn)行衍射。
正如新型透鏡的測(cè)試所證明的——超高的精度使得投影成像能夠在更大范圍內(nèi)放大到更大的倍數(shù)。在DESY的X射線源PETRA III的光束線P11上，科學(xué)家們得到了一種等輻骨蟲綱的高分辨率全息圖。這種等輻骨蟲綱是一種海洋浮游生物的單細(xì)胞放射蟲，對(duì)其唯一已知的生物體是由硫酸鍶（SrSO4）或天青石形成的骨骼。
Bajt的研究團(tuán)隊(duì)還使用該新鏡頭對(duì)海洋浮游硅藻的生物礦化殼結(jié)構(gòu)進(jìn)行了成像。這些單細(xì)胞生物具有錯(cuò)綜復(fù)雜的外殼，這些外殼非常復(fù)雜且穩(wěn)定，但也是一種輕量化的結(jié)構(gòu)。在以前的電子顯微鏡的二維分析中可以觀察到，它們是由納米結(jié)構(gòu)的二氧化硅所組成的。具有這種結(jié)構(gòu)的原因很有可能是因?yàn)槎趸杈哂蟹浅８叩膹?qiáng)度——比建筑鋼鐵材料高十倍——盡管它是在低溫和低壓條件下得到的。
鏡頭的應(yīng)用
“我們希望這種新型X射線光學(xué)器件能夠很快地將這些納米結(jié)構(gòu)圖像轉(zhuǎn)換為三維圖像，這將使我們能夠更好地模擬和理解這些外殼的高機(jī)械性能，并幫助我們開發(fā)出新型，環(huán)保和高性能的材料”，來自亥姆霍茲中心極地和海洋研究中心（AWI）阿爾弗雷德·魏格納研究所的Christian Hamm（他提供了測(cè)試樣本，并且是這項(xiàng)研究的合作者之一）說道。
“這種新鏡頭可用于各種應(yīng)用，包括納米分辨率成像和光譜學(xué)研究等”，Bajt說道：“這些多膜層勞厄透鏡為X射線科學(xué)開創(chuàng)了新的令人憧憬的機(jī)遇，它們可以被設(shè)計(jì)用于搭配不同的能量，并且可以用于相干光源，如X射線自由電子激光器等。如果沒有一支在X射線光學(xué)理論、納米加工、材料科學(xué)、數(shù)據(jù)處理和儀器等多方面都擁有專業(yè)知識(shí)的優(yōu)秀團(tuán)隊(duì)，這個(gè)偉大的成就是不可能實(shí)現(xiàn)的。我們現(xiàn)在知道了如何優(yōu)化鏡頭設(shè)計(jì)，我們的工作為實(shí)現(xiàn)最終在X射線顯微鏡下達(dá)到1納米分辨率的目標(biāo)鋪平了道路”。
相關(guān)參與研究的機(jī)構(gòu)
來自德國(guó)電子加速器中心、漢堡大學(xué)、美國(guó)國(guó)家科學(xué)基金會(huì)BioXFEL科學(xué)技術(shù)中心、美國(guó)亞利桑那州立大學(xué)、波蘭比亞韋斯托克大學(xué)、美國(guó)布魯克海文國(guó)家實(shí)驗(yàn)室和德國(guó)阿爾弗雷德韋格納研究所的科學(xué)家均參與這項(xiàng)研究。自由電子激光中心CFEL是由德國(guó)漢堡大學(xué)和德國(guó)馬普學(xué)會(huì)合作創(chuàng)辦的。德國(guó)電子加速器中心DESY是世界上領(lǐng)先的粒子加速器研究中心之一。 研究人員利用DESY的大規(guī)模儀器設(shè)備研究探索了各種各樣的微觀世界，從微小基本粒子間的相互作用到創(chuàng)新納米材料的微觀行為，生物分子之間發(fā)生的至關(guān)重要的相互影響以及宇宙的巨大奧秘等。DESY在德國(guó)漢堡和措伊滕開發(fā)并建造的加速器和探測(cè)器是世界上獨(dú)一無二的研究工具。DESY研究中心是亥姆霍茲聯(lián)合會(huì)的成員之一，主要從德國(guó)聯(lián)邦教育研究部（BMBF）（90％）和德國(guó)聯(lián)邦州漢堡和勃蘭登堡州（10％）獲得資金支持。