Tomographic Phase Imaging with Randomized Probe Imaging
Questo articolo dimostra la prima applicazione dell'imaging a sonda randomizzata (RPI) alla tomografia, consentendo l'imaging di fase 3D rapido di nanoparticelle d'oro cubiche con una risoluzione inferiore a 100 nm da singoli pattern di diffrazione in campo lontano per proiezione, accelerando così significativamente la raccolta dei dati rispetto ai metodi tradizionali basati sulla ptychografia pur mantenendo un'alta coerenza nei volumi ricostruiti.
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Immagina di cercare di vedere l'interno di un mondo minuscolo e invisibile, come gli ingranaggi all'interno di un orologio che è più piccolo di un granello di sabbia. Gli scienziati hanno uno strumento speciale per questo chiamato raggi X, che possono attraversare cose che i nostri occhi non possono vedere. Ma i raggi X sono complicati; spesso passano semplicemente attraverso senza lasciare un'immagine chiara, specialmente se l'oggetto non assorbe molta luce. Per risolvere questo, gli scienziati usano un trucco astuto chiamato "imaging di fase". Pensa a questo come se: se punti una torcia attraverso una finestra di vetro trasparente, non puoi vedere il vetro stesso, ma se guardi come la luce si piega e si sposta mentre passa attraverso, puoi capire la forma della finestra. È ciò che fa l'imaging di fase: mappa come le onde luminose oscillano e si spostano per rivelare la struttura 3D di oggetti minuscoli.
Di solito, per ottenere una foto 3D perfetta di qualcosa di così piccolo, gli scienziati devono scattare centinaia di foto da diverse angolazioni, come una TAC in un ufficio medico. Il problema è che il modo migliore per ottenere queste foto di alta qualità è incredibilmente lento. È come cercare di dipingere un capolavoro muovendo un singolo colpo di pennello alla volta, scansionando avanti e indietro sullo stesso punto per ore. Questa lentezza rende impossibile catturare eventi veloci, come la formazione di un cristallo o il funzionamento di una cella a combustibile. La grande domanda in questo campo è stata: "Possiamo ottenere una foto 3D veloce del mondo nanometrico senza passare tutto il giorno ad aspettare che la fotocamera finisca la sua scansione?"
Questo articolo racconta la storia di una nuova, veloce scorciatoia che i ricercatori dell'Argonne National Laboratory hanno scoperto per rispondere a quella domanda. Hanno testato un metodo chiamato "Randomized Probe Imaging" (RPI) su un gruppo di minuscole nanoparticelle d'oro a forma di cubo. Per capire il loro trucco, immagina di cercare di capire che aspetto ha un oggetto misterioso illuminandolo con una torcia. Il vecchio metodo lento (chiamato pticografia) è come muovere la torcia in un modello a griglia minuscolo e preciso, scattando una foto ad ogni singolo passo per costruire una mappa perfetta. È accurato, ma richiede una eternità.
Il nuovo metodo, RPI, è più simile a lanciare un pugno di brillantini contro l'oggetto in un modello caotico e casuale e scattare un unico scatto della riflessione disordinata. I ricercatori hanno usato una lente speciale chiamata "plateau di zona randomizzato" per creare questo modello di luce caotico e simile ai brillantini. Anche se la luce che colpiva l'oggetto era casuale e disordinata, hanno usato un intelligente algoritmo per computer per districare il caos e ricostruire un'immagine 2D chiara da quello singolo scatto. Hanno fatto questo per molte diverse angolazioni, proprio come una normale scansione TC, ma invece di passare ore a scansionare ogni angolazione, hanno catturato un rapido scatto per ogni angolazione.
I risultati sono stati impressionanti. Quando hanno confrontato il volume 3D creato con il loro veloce metodo "a scatto singolo" rispetto al metodo lento e "perfetto", i due apparivano molto simili. Il metodo veloce non riusciva proprio a vedere i dettagli più minuscoli (come i piccoli spazi tra i cubi d'oro), risolvendo dettagli fino a circa 62 nanometri, ma catturava tutti i grandi volumi perfettamente. La parte migliore? La velocità. Mentre il metodo tradizionale richiedeva circa quattro ore per scansionare il campione, il loro nuovo metodo avrebbe potuto fare lo stesso lavoro in soli 73 secondi se avessero usato una scansione standard passo dopo passo, o addirittura 7,3 secondi con una scansione "fly scan" super veloce.
Gli autori suggeriscono che questa tecnica sia un punto di svolta per osservare processi veloci in tempo reale. Poiché ora possono ottenere una foto 3D di oggetti nanometrici in pochi secondi invece che in ore, potrebbero finalmente essere in grado di filmare cose come la crescita dei cristalli o il funzionamento delle celle a combustibile mentre accadono. Sebbene la risoluzione non sia affatto nitida come quella del metodo lento, il compromesso vale la velocità. Il metodo conferma che questo approccio "a scatto singolo" funziona in modo affidabile, provando che non abbiamo sempre bisogno di muovere la fotocamera lentamente e con cura per ottenere una buona immagine 3D; a volte, un po' di caos e un tempo di esposizione veloce possono fare lo stesso lavoro altrettanto bene.
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