德國加速器中心的科學家們已經(jīng)研究開發(fā)出了一種新的鏡頭，提高了在納米范圍的X射線顯微鏡圖像記錄的分辨率。采用新材料，來自德國加速器中心自由電子激光科學部門的Sasa Bajt領導的研究小組已經(jīng)完善了專門的X射線光學設計，并且實現(xiàn)一個焦點尺寸與直徑小于十納米的新型顯微鏡鏡頭。一納米是一毫米的百萬分之一，比大多數(shù)病毒粒子還要小。研究人員在《Light: Science and Applications》雜志上發(fā)表了他們的研究成果。他們成功地用他們的鏡頭拍攝了海洋浮游生物的樣本。 64^l/D(  
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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。短波長和X射線穿透性是復雜材料實現(xiàn)微觀研究的理想選擇。然而，充分利用這些特性需要高效率和近乎完美的光學在X射線制度。盡管進行了廣泛的努力，在過程中比預想的更為困難，實現(xiàn)X射線顯微鏡，用以解決特征尺寸小于十納米的分辨率仍然是一個很大的挑戰(zhàn)。 =?N$0F!  
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由于其獨特的性質(zhì)，X射線不能像可見光那樣容易聚焦。一種方法是使用專門的X射線光學的多層勞厄透鏡（MLLS）。這些鏡頭由兩種不同材料的交替層納米厚度。它們是用濺射沉積工藝制備的。與傳統(tǒng)的光學不同，多層勞厄透鏡不折射光的入射的X射線衍射，這是其工作的一種方式，集中在一個很小的點波束。要做到這一點，材料的層厚必須精確控制。層必須逐漸改變厚度和方向在整個鏡頭。焦點大小是與在多層勞厄透鏡結(jié)構(gòu)中層厚度最小的相關的。 "{c@}~  
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為了滿足精度要求，Bajt的團隊結(jié)合了一種新型材料制作方式，并詳細了解這個制造過程，其特往往隨層數(shù)厚度而變化。新鏡片由10000層交替的新材料組合組成，碳化鎢和碳化硅。正確的材料對的選擇是成功的關鍵，Bajt強調(diào)。它不排除其他物質(zhì)組合，但這種組合絕對是我們現(xiàn)在所知道的最好的。” itcM-?  
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為了使X射線束在垂直和水平方向聚焦，它必須穿過兩個垂直取向的透鏡。通過使用這個設置，研究人員在布魯克海文國立實驗室的國家同步加速器光源II中心的X射線探針實驗站，研究人員測量了一個長為8.4納米，寬度為6.8納米的焦點，焦點的大小決定了x射線顯微鏡的分辨率。測量結(jié)果是新鏡頭的分辨率是典型的最先進鏡頭的五倍左右。 X?(R!=a  
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“我們生產(chǎn)了世界上最小的X射線聚焦的高效率鏡頭，”Bajt說。“由于其穿透性，X射線通常會直接穿過鏡頭材料。這樣的光線顯然不利于焦點，因此長期的目標是產(chǎn)生透鏡結(jié)構(gòu)，以增強與X射線的相互作用，使高比例的焦點進入焦點。這種新鏡片的效率在80%以上。這種高效率是層狀結(jié)構(gòu)組成的透鏡和像X-射線衍射，并利用了一個可控制的方式實現(xiàn)了人工晶體類似的材料。” Xo6zeLHO  
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這里我們所實現(xiàn)的高效率證明了納米結(jié)構(gòu)的生產(chǎn)控制水平的高水準的必要性。這種精度允許實現(xiàn)一個大范圍的放大倍率的鏡頭，測試表明新型投影成像效果。利用德國加速器中心的X-射線源 PETRA III科學家們實現(xiàn)了海藻的高分辨率的全息圖，這后在那個單細胞的放射蟲屬于海洋浮游生物，并且是已知礦物硫酸鍶形式骨架的生物體。 \tP*Pz  
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Bajt的團隊也使用了新的鏡頭對海洋浮游硅藻的生物礦化的貝殼進行了成像。這些單細胞生物有復雜的外殼，是高度復雜的穩(wěn)定的，但也輕量的結(jié)構(gòu)。它們由納米二氧化硅組成，在電子顯微鏡下的二維分析中觀察到。最有可能是因為這種結(jié)構(gòu)，二氧化硅的強度是非常高的，是建筑鋼材的十倍以上，雖然它是在低溫和高壓力條件下生產(chǎn)的。 H29vuGQjq  
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“我們希望新的X射線光學將很快實現(xiàn)這些納米結(jié)構(gòu)的三維圖像。這將使我們很快建立模型，并且能夠理解這些外殼的高機械性能，這會幫助我們開發(fā)新的、環(huán)保的、高性能的材料，”來自艾爾弗雷德韋格納研究所和亥姆霍茲極地和海洋研究中心（AWI）的Christian Hamm說，他提供了該研究中的樣品，并且還是這項研究的合作者。 Z|A+\#'  
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這種新透鏡可以廣泛應用于包括納米分辨率成像和光譜學在內(nèi)的各種應用中。這些多層勞厄透鏡開辟新的和令人興奮的X射線科學的新領域。他們可以設計不同的能量，并且還可以與相干源結(jié)合，如實現(xiàn)X射線自由電子激光器，Bajt說。這個偉大的成就沒有精彩的團隊在X射線光學理論，專業(yè)加工，材料科學，數(shù)據(jù)處理和儀器儀表等領域的合作是無法實現(xiàn)的。因為我們現(xiàn)在知道如何優(yōu)化透鏡的設計，這為我們的工作鋪平了道路，最終實現(xiàn)X射線顯微鏡納米分辨率的目標�！� Iv u'0vF  
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原文鏈接：https://phys.org/news/2017-12-lenses-enable-x-ray-microscopy-resolution.html（實驗幫譯）