Tomographic Phase Imaging with Randomized Probe Imaging
Este artículo demuestra la primera aplicación de la imagen de sonda aleatorizada (RPI) a la tomografía, permitiendo la obtención rápida de imágenes de fase 3D de nanopartículas de oro cúbicas con una resolución inferior a 100 nm a partir de un único patrón de difracción de campo lejano por proyección, acelerando así significativamente la recopilación de datos en comparación con los métodos tradicionales basados en la pticografía, al tiempo que mantiene una alta consistencia en los volúmenes reconstruidos.
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Imagina intentar ver el interior de un mundo diminuto e invisible, como los engranajes dentro de un reloj que es más pequeño que un grano de arena. Los científicos tienen una herramienta especial para esto llamada rayos X, que pueden atravesar cosas que nuestros ojos no pueden ver. Pero los rayos X son complicados; a menudo simplemente pasan de largo sin dejar una imagen clara, especialmente si el objeto no absorbe mucha luz. Para solucionar esto, los científicos utilizan un truco ingenioso llamado "imágenes de fase". Piensa en esto como si proyectaras la luz de una linterna a través de una ventana de vidrio transparente: no puedes ver el vidrio en sí, pero si observas cómo la luz se dobla y se desplaza al pasar a través de él, puedes deducir la forma de la ventana. Eso es lo que hace la imagen de fase: mapea cómo las ondas de luz se ondulan y se desplazan para revelar la estructura 3D oculta de objetos diminutos.
Normalmente, para obtener una imagen 3D perfecta de algo tan pequeño, los científicos tienen que tomar cientos de fotos desde diferentes ángulos, como una tomografía computarizada (CT) en el consultorio de un médico. El problema es que la mejor manera de obtener estas fotos de alta calidad es increíblemente lenta. Es como intentar pintar una obra maestra moviendo un solo trazo de pincel a la vez, escaneando de un lado a otro sobre el mismo punto durante horas. Esta lentitud hace que sea imposible capturar eventos de movimiento rápido, como la formación de un cristal o el funcionamiento de una celda de combustible en tiempo real. La gran pregunta en este campo ha sido: "¿Podemos obtener una imagen 3D rápida del mundo a nanoescala sin pasar todo el día esperando a que la cámara termine su escaneo?".
Este artículo cuenta la historia de un nuevo y veloz atajo que los investigadores del Laboratorio Nacional Argonne descubrieron para responder a esa pregunta. Probaron un método llamado "Imágenes de Sonda Aleatorizada" (RPI, por sus siglas en inglés) en un grupo de diminutas nanopartículas de oro en forma de cubo. Para entender su truco, imagina que intentas averiguar qué aspecto tiene un objeto misterioso iluminándolo con una linterna. La forma antigua y lenta (llamada pticografía) es como mover la linterna en un patrón de cuadrícula diminuto y preciso, tomando una foto en cada uno de los pasos para construir un mapa perfecto. Es precisa, pero tarda una eternidad.
El nuevo método, R el RPI, es más parecido a lanzar un puñado de purpurina contra el objeto en un patrón caótico y aleatorio y tomar solo una instantánea del reflejo desordenado. Los investigadores utilizaron una lente especial llamada "placa de zona aleatorizada" para crear ese patrón de luz caótico y similar a la purpurina. Aunque la luz que golpeaba el objeto era aleatoria y desordenada, utilizaron un algoritmo computacional inteligente para desenredar el lío y reconstruir una imagen 2D clara a partir de esa única instantánea. Hicieron esto para muchos ángulos diferentes, tal como una tomografía computarizada estándar, pero en lugar de pasar horas escaneando cada ángulo, capturaron una instantánea rápida por ángulo.
Los resultados fueron impresionantes. Cuando compararon el volumen 3D hecho con su método rápido de "una sola toma" frente al método lento y "perfecto", los dos se veían muy similares. El método rápido no pudo ver los detalles más diminutos (como los pequeños huecos entre los cubos de oro), resolviendo detalles de hasta unos 62 nanómetros, pero capturó todas las formas grandes perfectamente. Lo mejor de todo fue la velocidad. Mientras que el método tradicional tardó unas cuatro horas en escanear la muestra, su nuevo método podría haber hecho el mismo trabajo en solo 73 segundos si hubieran usado un escaneo paso a paso estándar, o incluso 7.3 segundos con un "escaneo de vuelo" superrápido.
Los autores sugieren que esta técnica puede cambiar las reglas del juego para observar procesos rápidos en tiempo real. Debido a que ahora pueden obtener una imagen 3D de objetos a nanoescala en segundos en lugar de horas, finalmente podrían filmar cosas como el crecimiento de cristales o el funcionamiento de celdas de combustible mientras ocurren. Aunque la resolución no es tan nítida como la del método lento, el intercambio vale la pena por la velocidad. El artículo confirma que este enfoque de "una sola toma" funciona de manera confiable, demostrando que no siempre necesitamos mover la cámara lenta y cuidadosamente para obtener una buena imagen 3D; a veces, un poco de caos y una velocidad de obturación rápida pueden hacer el trabajo igual de bien.
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