Una nueva lente de rayos X abre la puerta del nanocosmos

MADRID, 1 Jun. (OTR/PRESS) -

   Científicos alemanes han diseñado, fabricado y probado con éxito una nueva lente de rayos X que produce imágenes más nítidas y más brillantes del nanomundo. La resolución llega a 8 nanómetros.

   El objetivo emplea un concepto innovador para redirigir los rayos X sobre una amplia gama de ángulos, consiguiendo una potencia de convergencia alta. Cuanto más grande es la convergencia, más pequeños son los detalles que un microscopio puede resolver, pero como es bien sabido es difícil de doblar los rayos X en ángulos suficientemente grande.

   Fabricando una nanoestructura que actúa como un cristal artificial fue posible imitar un alto poder de refracción. Aunque es necesario controlar la fabricación a nivel atómico - que es comparable a la longitud de onda de los rayos X - los científicos han logrado esta precisión sobre un área sin precedentes, consiguiendo una lente de gran distancia de trabajo e imágenes brillantes. Junto con la resolución mejorada estos son ingredientes clave para hacer un supermicroscopio de rayos X.

   El equipo dirigido por Sasa Bajt, del Deutsches Elektronen-Synchrotron (DESY) presenta la nueva lente en la revista Scientific Reports.

   "Los rayos X se usan para estudiar el mundo nano, ya que son capaces de mostrar detalles mucho más finos que la luz visible y su poder de penetración permite ver objetos en el interior", explica Bajt. El tamaño de los detalles más pequeños que se pueden resolver depende de la longitud de onda de la radiación utilizada. Los rayos X tienen longitudes de onda muy cortas de sólo alrededor de 1 a 0,01 nanómetros (nm), en comparación con 400 a 800 nm para la luz visible.

   Un nanómetro es la millonésima parte de un milímetro. La alta penetración de los rayos X se ve favorecida para formación de imágenes por tomografía tridimensional de objetos tales como células biológicas, los chips de computadora, y los nanomateriales que intervienen en la conversión o almacenamiento de energía.

   Pero esto también significa que los rayos X pasan directamente a través de las lentes convencionales sin ser doblados o centrados. Un posible método para enfocar los rayos X es meramente hacer que rocen la superficie de un espejo para empujarlos hacia una nueva dirección. Pero tales espejos de rayos X están limitados en su poder de convergencia y deben ser pulidos mecánicamente a alta precisión, lo que los hace extremadamente caro.

   Un medio alternativo para doblar los rayos X es utilizar cristales. Una red cristalina difracta los rayos X, como el físico alemán Max von Laue descubrió hace un siglo. Hoy en día, los cristales artificiales pueden ser hechos a medida para centrar los rayos X mediante el depósito de materiales diferentes capa por capa. A partir de este bloque de construcción, viene la lente Laue multicapa o MLL, hecha por recubrimiento de un sustrato con capas delgadas de las sustancias elegidas. "Sin embargo, las lentes de Laue convencionales están limitadas en su poder convergente por razones geométricas," explica Bajt.

   "Para ganar la máxima potencia, las capas de una MLL necesitan ser ligeramente inclinada unas contra otras." Como los cálculos teóricos han mostrado, todas las capas deben estar perpendiculares en un círculo con un radio de dos veces la longitud focal.

   Esta condición bastante específica no podía ser fabricada - hasta ahora. El equipo de Bajt inventó un nuevo proceso de producción, donde una máscara protege parcialmente el sustrato a partir del material de deposición. En una mitad la máscara se acumula una estructura de cuña donde la inclinación de las capas se controla simplemente mediante el ajuste de la separación de la máscara al sustrato. Esta cuña se corta entonces desde la región de penumbra. "Antes de nosotros, nadie estuvo cerca de la construcción de una lente como cuña", dice Bajt.

   Los investigadores han fabricado una lente de cuña de 5.500 capas alternas de carburo de silicio (SiC) y tungsteno (W), que varían en espesor. La lente final cortada de estos depósitos fue de 40 micrómetros (millonésimas de metro) de ancho, 17,5 micrómetros de espesor y 6,5 micrómetros de profundidad.

   El equipo probó su lente en la fuente de rayos X ultrabrillantes de DESY PETRA III. La prueba en la estación experimental P11 mostró que la lente produce un foco sólo 8 nm de ancho, que está cerca del valor de diseño de 6 nm. Las pruebas también mostraron que el perfil de intensidad a través de la lente es muy uniforme, un requisito previo para imágenes de alta calidad. El diseño de la lente permite transmitir hasta 60 por ciento de los rayos X entrantes a la muestra.

   Los científicos se centraron el haz de rayos X en una sola dirección, que resulta en una delgada línea. Centrarlo en dos dimensiones para obtener una pequeña mancha se puede hacer simplemente usando dos lentes en línea, una centrado horizontalmente y la otra verticalmente. "Nuestros resultados demuestran nuestra técnica de fabricación para conseguir lentes de alto poder de enfoque. Creemos que tenemos el control necesario para alcanzar objetivos de energía aún mayores", dice Bajt.

   "Parece que el objetivo buscado de enfocar los rayos X a un nanómetro está a su alcance." Esto pondrá las imágenes de rayos X a la par con la calidad alcanzada con microscopios electrónicos de barrido, que suelen tener una resolución de 4 nm. La ventaja es que las imágenes de rayos X no se limitan a la visualización de superficies o muestras extremadamente delgadas solamente, sino que pueden penetrar en una muestra. "Nuestro nuevo concepto de lentes ayudará a los científicos a observar más profundamente en el nanocosmos y llehar a detalles que antes eran inaccesibles en forma visible", dice Bajt.