لنز پیشگامانه اشعه ایکس نگاهی باورنکردنی به دنیای نانو ارائه می‌کند

منتشر شده در scitechdaily به تاریخ ۱۴ مارچ، ۲۰۲۲
لینک منبع: Groundbreaking X-Ray Lens Provides Incredible Glimpse Into the Nanoworld

دانشمندان موسسه «پل شرا» (Paul Scherrer) یک لنز آکروماتیک مبتکرانه برای اشعه ایکس ایجاد کرده‌اند. این امر به پرتوهای اشعه ایکس اجازه می‌دهد که به‌طور دقیق بر روی یک نقطه منفرد تمرکز کنند حتی اگر آن‌ها طول‌موج‌های متفاوتی داشته باشند. با توجه به مقاله‌ای که اخیرا توسط محققان در مجله علمی ارتباطات طبیعت منتشر شده‌است، لنز جدید مطالعه نانو ساختارها با استفاده از اشعه ایکس را بسیار آسان‌تر خواهد کرد.

لنزهای تک‌رنگ برای ایجاد تصاویر شارپ در عکاسی و میکروسکوپ‌های نوری ضروری هستند. آن‌ها اطمینان حاصل می‌کنند که رنگ‌های مختلف -یعنی نور طول‌موج‌های مختلف- یک نقطه کانونی مشترک دارند. با این حال، تا به امروز لنزهای اکروماتیک برای اشعه‌های ایکس در دسترس نبوده‌اند، به‌طوری‌که میکروسکوپ اشعه ایکس با وضوح بالا تنها با اشعه‌های ایکس تک‌رنگ امکان‌پذیر بوده‌است. در عمل، این بدان معنی است که تمام طول‌موج‌های دیگر باید از طیف پرتو ایکس فیلتر شوند و در نتیجه تنها بخش کوچکی از نور می‌تواند به‌طور موثر مورد استفاده قرار گیرد، که منجر به یک فرآیند ثبت تصویر نسبتا ناکارآمد می‌شود.

اکنون گروهی از دانشمندان PSI این مشکل را با ایجاد موفقیت‌آمیز عدسی اشعه ایکس آکروماتیک برای اشعه ایکس حل کرده‌اند. از آنجا که اشعه ایکس می‌تواند ساختارهای بسیار کوچکتری را نسبت به نور مرئی نشان دهد، لنز نوآورانه به‌طور خاص برای کار R&D در بخش‌هایی مانند ریزتراشه، باتری و علم مواد، در میان دیگران، سودمند خواهد بود.

پیچیده‌تر از محدوده مرئی

این واقعیت که توسعه یک لنز اکروماتیک برای اشعه‌های ایکس تاکنون طول کشیده‌است، ممکن است در ابتدا شگفت‌انگیز به نظر برسد: برای نور مرئی، لنزهای اکروماتیک بیش از ۲۰۰ سال است که وجود دارند. این‌ها معمولا از دو ماده مختلف تشکیل شده‌اند. نور به اولین ماده نفوذ می‌کند و به رنگ‌های طیفی آن تقسیم می‌شود -درست مثل وقتی که از یک منشور شیشه‌ای معمولی عبور می‌کند. سپس از ماده دوم عبور می‌کند تا این اثر را معکوس کند. در فیزیک، فرآیند جداسازی طول‌موج‌های مختلف «پراکندگی» نامیده می‌شود.

کریستین دیوید، فیزیکدان، رئیس گروه تحقیقاتی اپکتیک و کاربردهای اشعه ایکس در آزمایشگاه PSI برای علوم و فناوری‌های نانو اشعه ایکس توضیح می‌دهد: «این اصل اساسی که در محدوده مرئی اعمال می‌شود در محدوده اشعه ایکس کار نمی‌کند.» برای اشعه ایکس، هیچ جفت ماده‌ای وجود ندارد که خواص نوری آن به اندازه کافی در طیف وسیعی از طول موج‌ها متفاوت باشد تا یک ماده بتواند اثر ماده دیگر را متعادل کند. به عبارت دیگر: پراکندگی مواد در محدوده اشعه ایکس بسیار مشابه است.

دو اصل به جای دو ماده

بنابراین دانشمندان به جای جستجوی پاسخ در ترکیب دو ماده، دو اصل مختلف نوری را به هم پیوند دادند. آدام کوبک، نویسنده اصلی مطالعه جدید می‌گوید: «ترفند این بود که متوجه شویم می‌توانیم عدسی انکساری دوم را در مقابل عدسی انکساری خود قرار دهیم.» تا همین اواخر، کوبک محقق گروه کریستین دیوید بود، و اکنون برای XRnanotech کار می‌کند، یک محصول فرعی که از تحقیق PSI در اپتیک اشعه ایکس پدیدار شد.

دیوید می‌گوید: «اکنون سال‌ها است که PSI یک رهبر جهانی در تولید لنزهای اشعه ایکس بوده‌است.» ما لنزهای خاصی به نام صفحات منطقه فرنل برای میکروسکوپ اشعه ایکس در منابع نور سنکروترون در سراسر جهان عرضه می‌کنیم. گروه تحقیقاتی دیوید از روش‌های نانولیتوگرافی برای تولید عدسی‌های پراش استفاده می‌کند. با این حال، برای عنصر دوم در لنز اکروماتیک -ساختار شکست- به یک روش جدید نیاز است که اخیرا در دسترس قرار گرفته‌است: چاپ سه‌بعدی بر روی مقیاس میکرومتر. این کار در نهایت کوبک را قادر ساخت تا شکلی ایجاد کند که به‌طور مبهم شبیه یک موشک مینیاتوری باشد.

کاربردهای تجاری بالقوه

لنز توسعه‌یافته جدید امکان جهش از کاربرد تحقیق به میکروسکوپ اشعه ایکس در کاربردهای تجاری، برای مثال در صنعت را فراهم می‌کند. کوبک توضیح می‌دهد: «منابع سنکروترون پرتوهای ایکس را با چنان شدتی تولید می‌کنند که می‌توان همه آن‌ها را به جز یک طول‌موج واحد فیلتر کرد، در حالی که هنوز هم نور کافی را برای ایجاد یک تصویر حفظ می‌کند.» با این حال، سنکروترون‌ها تسهیلات تحقیقاتی در مقیاس بزرگ هستند. تا به امروز، کارکنان R&D مشغول به کار در صنعت، یک زمان پرتو مشخص را برای انجام آزمایش‌ها در سنکروترون‌ها در موسسات تحقیقاتی، از جمله منبع نور سوئیس SLS در PSI اختصاص داده‌اند. این زمان پرتو بسیار محدود و گران است و نیاز به برنامه‌ریزی بلند مدت دارد. کوبک می‌گوید: «صنعت تمایل دارد تا در فرایندهای R&D خود، حلقه‌های پاسخ بسیار سریعتری داشته باشد.» «لنز اشعه ایکس آکروماتیک ما کمک بسیار زیادی به این کار خواهد کرد: این کار میکروسکوپ‌های اشعه ایکس فشرده را فعال می‌کند که شرکت‌های صنعتی می‌توانند در محل خود عمل کنند.»

در حال حاضر PSI به همراه XRnanotech قصد دارد تا لنز جدید را به بازار عرضه کند. کوبک می‌گوید که آن‌ها در حال حاضر تماس‌های مناسبی با شرکت‌های متخصص در ساخت تجهیزات میکروسکوپ اشعه ایکس در مقیاس آزمایشگاهی دارند.

پرتو اشعه ایکس SLS برای آزمایش استفاده می‌شود

دانشمندان برای مشخص کردن لنز اشعه ایکس آکروماتیک خود از یک پرتو ایکس در SLS استفاده کردند. یکی از روش‌های به کار گرفته‌شده یک تکنیک بسیار پیشرفته میکروسکوپ اشعه ایکس به نام پتیکوگرافی است. نویسنده دوم این تحقیق، ماری کریستین زدورا، فیزیکدان فعال در گروه تحقیقاتی کریستین دیوید و متخصص تصویربرداری اشعه ایکس می‌گوید: «این تکنیک معمولا برای بررسی یک نمونه ناشناخته استفاده می‌شود.» «از سوی دیگر ما از پتیکوگرافی برای مشخص کردن پرتو ایکس و در نتیجه لنز اکروماتیک خود استفاده کردیم.» این دانشمندان را قادر ساخت تا مکان نقطه کانونی پرتو ایکس را در طول موج‌های مختلف به‌طور دقیق تشخیص دهند.

آن‌ها علاوه‌بر این، لنز جدید را با استفاده از روشی که در آن نمونه از طریق کانون پرتو ایکس در مراحل کوچک شطرنجی حرکت می‌کند، آزمایش کردند. هنگامی که طول‌موج پرتو ایکس تغییر می‌کند، تصاویر تولید شده با یک لنز اشعه ایکس معمولی بسیار تار می‌شوند. با این حال، این اتفاق در هنگام استفاده از لنز آکروماتیک جدید رخ نمی‌دهد. زدورا خوشحال می‌گوید: «هنگامی که ما در نهایت یک تصویر شارپ از نمونه آزمایش در محدوده وسیعی از طول‌موج به دست آوردیم، می‌دانستیم که لنز ما کار می‌کند.»

دیوید اضافه می‌کند: «این واقعیت که ما توانستیم این لنز اشعه ایکس را در PSI توسعه دهیم و به زودی آن را با XRnanotech به بازار بیاوریم نشان می‌دهد که نوع تحقیقاتی که ما در اینجا انجام می‌دهیم می‌تواند منجر به کاربردهای عملی در مدت‌زمان بسیار کوتاهی شود.»

این متن با استفاده از ربات ‌ترجمه مقالات علمی ترجمه شده و به صورت محدود مورد بازبینی انسانی قرار گرفته است.در نتیجه می‌تواند دارای برخی اشکالات ترجمه باشد.

مقالات لینک‌شده در این متن می‌توانند به صورت رایگان با استفاده از مقاله‌خوان ترجمیار به فارسی مطالعه شوند.