New Approach of Using Cryo-Soft X-ray Tomography for beam-sensitive materials

Kleine deeltjes gemaakt van ijzer transformeren de manier waarop we denken over geneeskunde, schone energie en milieuruiming. Deze microscopische structuren, vaak kleiner dan een enkele cel, kunnen fungeren als krachtige katalysatoren om chemische reacties te versnellen of dienen als gerichte dragers voor medicijnen in het menselijk lichaam. Om te begrijpen hoe ze werken, moeten wetenschappers ze nauwkeurig bestuderen, maar er is een addertje onder het gras. Veel van deze nuttige materialen zijn fragiel. Wanneer onderzoekers proberen ze te bestuderen met de krachtige elektronenbundels die in standaard microscopen worden gebruikt, kan de intense energie de structuren die ze juist proberen te bestuderen verbranden, smelten of chemisch veranderen. Het is als het proberen te fotograferen van een sneeuwvlok met een snijbrander; de afbeelding die je krijgt, is niet van de sneeuwvlok, maar van de schade die het licht heeft veroorzaakt. Deze beperking heeft het lang moeilijk gemaakt om de werkelijke vorm, grootte en rangschikking van deze gevoelige materialen in hun natuurlijke staat te zien.

Een team van onderzoekers aan de Universiteit van Warwick en de Universiteit van Cambridge heeft een manier gevonden om dit probleem te omzeilen door een ander soort licht te gebruiken. In plaats van elektronen op het monster af te schieten, gebruikten ze zachte röntgenstraling, een vorm van licht die veel zachter is voor delicate materie. Door de monsters te bevriezen tot extreem lage temperaturen en ze vervolgens te scannen met deze röntgenstralen, waren ze in staat om gedetailleerde driedimensionale kaarten van ijzernanodeeltjes te maken zonder ze te vernietigen. Deze aanpak, bekend als cryo-zachte röntgen-tomografie, stelde hen in staat de deeltjes te zien zoals ze werkelijk bestaan, waarbij de grootte, de manier waarop ze samenklonteren en zelfs de dunne lagen moleculen die hun oppervlakken bedekken, werden onthuld.

De onderzoekers concentreerden zich op twee specifieke soorten ijzerdeeltjes. De eerste was puur ijzer, dat zeer reactief is en onmiddellijk tot roest neigt te worden wanneer het wordt blootgesteld aan lucht. De tweede was een magnetisch ijzeroxide, een materiaal dat vaak wordt gebruikt in medische beeldvorming en waterzuivering. Om deze te bestuderen, moest het team ze eerst maken. Ze ontwikkelden een nieuwe, snelle methode om het magnetische ijzeroxide te creëren door chemicaliën in water te mengen en ze te verhitten tot net 80 graden Celsius, een proces dat slechts momenten duurde. Voor het pure ijzer gebruikten ze een magnetronreactor om de deeltjes in slechts 30 seconden te synthetiseren. Deze snelheid was cruciaal, omdat het voorkwam dat de materialen veranderden of degradeerden voordat ze bestudeerd konden worden.

Zodra de deeltjes waren gecreëerd, werd het team geconfronteerd met de uitdaging om naar ze te kijken zonder schade te veroorzaken. Ze vergeleken hun nieuwe röntgenmethode met traditionele technieken zoals scanning-elektronenmicroscopie, die een bundel elektronen gebruikt. In de traditionele beelden verschenen de pure ijzerdeeltjes wazig en vervormd, waarbij hun oppervlakken werden gehinderd door elektrische oplading en structurele instorting veroorzaakt door de elektronenbundel. Ook de magnetische ijzeroxidedeeltjes leden onder soortgelijke problemen, wat het moeilijk maakte om hun ware vorm te zien. Echter, toen het team overstapte op cryo-zachte röntgen-tomografie, waren de resultaten opvallend anders. De beelden waren scherp en helder, en toonden de deeltjes in hoge definitie zonder enige tekenen van de schade die bij de andere methoden werd gezien.

De nieuwe techniek bood meer dan alleen een duidelijker beeld; het onthulde details die voorheen verborgen bleven. Door de monsters te scannen op specifieke energieniveaus, konden de onderzoekers onderscheid maken tussen de ijzerkern van de deeltjes en de organische moleculen die hun oppervlakken bedekten. Ze ontdekten dat de pure ijzerdeeltjes waren ingepakt in een dunne laag van een stof genaamd dodecylamine, die fungeert als een beschermend schild en het metaal ervan weerhoudt om met zuurstof te reageren. Dit laagje was onzichtbaar in de elektronenmicroscoopbeelden, maar viel duidelijk op in de röntgenopnames. Bovendien was het team in staat om driedimensionale modellen van de deeltjes te bouwen, waardoor ze niet alleen de breedte van een deeltje konden meten, maar ook de hoogte en hoe het ten opzichte van zijn buren stond.

De studie toonde aan dat de pure ijzerdeeltjes voornamelijk gegroepeerd waren in clusters kleiner dan 200 nanometer, terwijl de magnetische ijzeroxidedeeltjes nog kleiner waren en een uniforme populatie rond de 20 nanometer vormden. De driedimensionale reconstructies onthulden dat deze deeltjes niet zomaar willekeurig verspreid waren; ze vormden complexe, onderling verbonden netwerken met variërende diktes en vormen. Dit niveau van detail is essentieel omdat de manier waarop deze deeltjes samenklonteren direct invloed heeft op hoe ze presteren in praktische toepassingen, zoals het filteren van vervuiling uit water of het leveren van medicijnen aan een tumor.

Misschien wel de meest significante bevinding was de mogelijkheid om een kleine holte, of holle ruimte, op het oppervlak van een van de ijzerkristallen te zien. Dit kenmerk, geschat op ongeveer 2,7 micrometer lang en 2 micrometer breed, werd geïdentificeerd via de 3D-reconstructie. Een dergelijk detail zou waarschijnlijk gemist of verkeerd geïnterpreteerd worden in een tweedimensionale afbeelding, waarbij de diepte van het object verloren gaat. De onderzoekers bevestigden ook dat hun methode gebruikt kon worden om deze materialen te analyseren zonder de noodzaak van geleidende coatings, die vaak vereist zijn in elektronenmicroscopie om oplading te voorkomen, maar die het werkelijke oppervlak van het monster kunnen maskeren.

Dit werk demonstreert dat door het combineren van bevroren temperaturen met zachte röntgenbeeldvorming, wetenschappers eindelijk beam-gevoelige materialen kunnen observeren op een manier die hun integriteit behoudt. De methode biedt een niet-destructief venster naar de nanoschaalwereld, waarbij de ware architectuur van materialen wordt onthuld die lang te fragiel waren om nauwkeurig bestudeerd te worden. Naarmate deze techniek zich blijft ontwikkelen, belooft het nieuwe deuren te openen voor het begrijpen van het gedrag van ijzergebaseerde nanodeeltjes en andere delicate materialen, en biedt het een heldere fundering voor toekomstige innovaties in wetenschap en technologie.