Gli scienziati del Paul Scherrer Institute hanno sviluppato una lente acromatica innovativa per i raggi X. Ciò consente ai fasci di raggi X di essere accuratamente focalizzati su un singolo punto anche se hanno lunghezze d'onda diverse. La nuova lente renderà molto più facile studiare le nanostrutture utilizzando i raggi X, secondo un articolo appena pubblicato dai ricercatori sulla rivista scientifica Nature Communications.
Le lenti acromatiche sono essenziali per produrre immagini nitide in fotografia e microscopi ottici. Assicurano che diversi colori, cioè luce di diverse lunghezze d'onda, abbiano un punto focale comune. Ad oggi, tuttavia, le lenti acromatiche non sono state disponibili per i raggi X, quindi la microscopia a raggi X ad alta risoluzione è stata possibile solo con i raggi X monocromatici. In pratica, ciò significa che tutte le altre lunghezze d'onda devono essere filtrate fuori dallo spettro del fascio di raggi X e quindi solo una piccola parte della luce può essere utilizzata in modo efficace, risultando in un processo di acquisizione delle immagini relativamente inefficiente.
Un team di scienziati del PSI ha ora risolto questo problema sviluppando con successo una lente a raggi X acromatica per i raggi X. Poiché i raggi X possono rivelare strutture molto più piccole della luce visibile, l'innovativa lente andrà particolarmente a beneficio del lavoro di ricerca e sviluppo in settori come microchip, batterie e scienza dei materiali, tra gli altri.
Il fatto che ci sia voluto molto tempo fino ad ora per sviluppare una lente acromatica per i raggi X può a prima vista sembrare sorprendente: per la luce visibile, le lenti acromatiche esistono da oltre 200 anni. Questi sono solitamente composti da due materiali diversi. La luce penetra nel primo materiale e si divide nei suoi colori spettrali, proprio come quando passa attraverso un prisma di vetro convenzionale. Quindi passa attraverso un secondo materiale per invertire questo effetto. In fisica, il processo di separazione di diverse lunghezze d'onda è chiamato "dispersione".
"Questo principio di base non funziona nella gamma di raggi X, tuttavia", ha spiegato il fisico Christian David, capo del gruppo di ricerca X-Ray Optics and Applications presso il Laboratorio PSI per le nanoscienze e le tecnologie a raggi X. "Per i raggi X, non esiste una coppia di materiali per i quali le proprietà ottiche di un materiale differiscono sufficientemente, su una vasta gamma di lunghezze d'onda, per controbilanciare l'effetto dell'altro. In altre parole: la dispersione dei materiali nella gamma dei raggi X è troppo simile".
Quindi, invece di cercare la risposta nella combinazione di due materiali, gli scienziati hanno collegato insieme due diversi principi ottici. "Il trucco era rendersi conto che potevamo posizionare una seconda lente refrattiva davanti alla nostra lente diffrattiva", ha affermato Adam Kubec, autore principale del nuovo studio. Fino a poco tempo fa, Kubec era un ricercatore nel gruppo di Christian David e ora lavora per XRnanotech, uno spin-off emerso dalla ricerca di PSI nell'ottica a raggi X.
Il gruppo di ricerca di David utilizza metodi di nanolitografia consolidati per produrre lenti diffrattive. Tuttavia, per il secondo elemento della lente acromatica, la struttura refrattiva, era necessario un nuovo metodo che solo di recente è diventato disponibile: la stampa 3D su scala micrometrica. Questo alla fine ha permesso a Kubec di produrre una forma che ricorda vagamente un razzo in miniatura.
“La nostra lente a raggi X acromatica aiuterà enormemente in questo: consentirà microscopi a raggi X compatti che le aziende industriali possono operare nei propri locali" ha affermato Kubec. Insieme a XRnanotech, PSI prevede di commercializzare il nuovo obiettivo. Kubec afferma di avere già contatti adeguati con aziende specializzate nella costruzione di strutture di microscopia a raggi X su scala di laboratorio.
Hanno inoltre testato la nuova lente utilizzando un metodo in cui il campione viene spostato attraverso la messa a fuoco del fascio di raggi X in piccoli gradini raster. Quando la lunghezza d'onda del fascio di raggi X viene modificata, le immagini prodotte con una lente a raggi X convenzionale diventano molto sfocate. Questo, tuttavia, non accade quando si utilizza la nuova lente acromatica.
"Quando alla fine abbiamo ottenuto un'immagine nitida del campione di prova su un'ampia gamma di lunghezze d'onda, sapevamo che il nostro obiettivo stava funzionando", ha affermato Zdora. David ha aggiunto: "Il fatto che siamo stati in grado di sviluppare questa lente a raggi X acromatica presso PSI e presto la porteremo sul mercato con XRnanotech dimostra che il tipo di ricerca che facciamo qui può portare ad applicazioni pratiche in un periodo di tempo molto breve".