Koniec niszczenia przedmiotów, żeby sprawdzić ich skład. Zrobią to bez dotykania

Zwykłe prześwietlenie pokazuje to, co znajduje się wewnątrz przedmiotu. Naukowcy opracowali jednak metodę, która pozwala zobaczyć, gdzie dokładnie rozmieszczone są poszczególne pierwiastki. Powstaje trójwymiarowa mapa składu materiału, a do jej wykonania potrzeba nawet 43 razy mniej pomiarów niż przy tradycyjnym skanowaniu.

Wyobraźmy sobie niewielki element elektroniczny, w którego wnętrzu znajdują się przewody i warstwy różnych metali. Zwykłe zdjęcie rentgenowskie może ujawnić ich położenie, ale już niekoniecznie pozwoli odróżnić jeden pierwiastek od drugiego. Tymczasem dla inżyniera badającego przyczynę awarii albo naukowca opracowującego nowe materiały informacja o tym, co dokładnie znajduje się w konkretnym miejscu, bywa równie ważna jak sam kształt wewnętrznych struktur.

Właśnie takie zadanie postawili sobie badacze z Bar-Ilan University w Izraelu oraz współpracujących z nim europejskich ośrodków. Zamiast ulepszać tradycyjny sposób prześwietlania przedmiotów, zmienili sposób zbierania i przetwarzania informacji. Rezultaty pokazują, że nie trzeba badać osobno każdego punktu, aby otrzymać szczegółowy obraz przestrzennego rozmieszczenia pierwiastków.

Eksperyment przeprowadzono w European Synchrotron Radiation Facility we francuskim Grenoble. Synchrotron to ogromne urządzenie, w którym rozpędzone cząstki wytwarzają wyjątkowo intensywne promieniowanie. Można je wykorzystać do badania materii z dokładnością znacznie przekraczającą możliwości typowych aparatów rentgenowskich.

Naukowcy przygotowali próbkę zawierającą trzy różne metale. Umieścili w niej cienkie przewody miedziane o średnicy 40 mikrometrów, fragmenty cyrkonu o grubości 20 mikrometrów oraz drobiny srebra osiągające maksymalnie 45 mikrometrów. Wszystkie elementy zostały zatopione w żywicy, dzięki czemu można było sprawdzić, czy nowa metoda prawidłowo rozpozna ich rozmieszczenie wewnątrz materiału.

Skala eksperymentu była naprawdę mikroskopijna. Jeden mikrometr to jedna tysięczna milimetra, a więc badane struktury były wielokrotnie cieńsze od ludzkiego włosa. Nie wystarczało samo ustalenie, że próbka zawiera miedź, srebro i cyrkon. Trzeba było jeszcze wskazać, gdzie każdy z tych pierwiastków znajduje się w trzech wymiarach, bez rozcinania badanego obiektu.

Cała metoda opiera się na fluorescencji rentgenowskiej. Kiedy promieniowanie rentgenowskie dostarcza atomom odpowiednio dużo energii, może wybić elektrony z ich wewnętrznych powłok. Gdy inne elektrony zajmują zwolnione miejsca, emitowane jest promieniowanie o charakterystycznej energii.

Każdy pierwiastek ma własny zestaw takich sygnałów. Dzięki temu detektor może ustalić, czy w badanym materiale znajduje się miedź, żelazo, srebro lub inny składnik. Nie otrzymujemy więc wyłącznie obrazu różnic w pochłanianiu promieniowania, lecz informacje pozwalające przypisać określone pierwiastki do konkretnych obszarów próbki.

Podobną zasadę wykorzystywano już przy opracowywaniu koncepcji stworzenia globalnej mapy chemicznej Księżyca za pomocą niewielkiego teleskopu rentgenowskiego. Tam chodzi o rozpoznawanie pierwiastków na powierzchni odległego ciała niebieskiego. W nowym eksperymencie celem było natomiast odtworzenie ich rozmieszczenia wewnątrz niewielkiego obiektu.

Prawdziwy problem pojawia się wtedy, gdy chcemy otrzymać pełny obraz przestrzenny. W tradycyjnej tomografii fluorescencyjnej wiązka przesuwa się po próbce punkt po punkcie. Następnie obiekt jest obracany, a całą procedurę trzeba powtórzyć pod kolejnymi kątami. Przy wysokiej rozdzielczości oznacza to ogromną liczbę odczytów i długi czas pracy aparatury.

Rozwiązaniem okazała się specjalna maska umieszczona na drodze promieniowania rentgenowskiego. Wykonano ją z nieregularnie rozmieszczonego wolframu, czyli metalu skutecznie pochłaniającego promienie X. Dzięki temu wiązka docierająca do próbki nie miała jednolitego natężenia. Powstawał na niej charakterystyczny, nieregularny wzór oświetlenia.

Maskę przesuwano, zmieniając wzór padającego promieniowania. Zamiast badać jeden niewielki punkt, detektor zbierał sygnał fluorescencyjny pochodzący z większego obszaru próbki. Ponieważ naukowcy dokładnie wiedzieli, jaki wzór promieniowania zastosowano podczas każdego pomiaru, mogli później powiązać zmiany rejestrowanego sygnału z rozmieszczeniem pierwiastków.

Takie podejście określa się mianem obrazowania duchowego, od angielskiego ghost imaging. Nie ma w nim jednak niczego nadprzyrodzonego. Obraz powstaje dzięki matematycznemu odtworzeniu informacji ukrytych w serii pomiarów wykonanych przy różnych wzorach oświetlenia.

Największa zmiana dotyczyła jednak nie samej maski, lecz sposobu rekonstruowania danych. Zwykle najpierw tworzy się osobne obrazy dwuwymiarowe dla kolejnych kątów obserwacji, a dopiero później łączy je w model przestrzenny. Tym razem algorytm analizował wszystkie pomiary jednocześnie i bezpośrednio odtwarzał trójwymiarowe rozmieszczenie pierwiastków.

Dzięki temu mógł wykorzystywać zależności pomiędzy informacjami zebranymi pod różnymi kątami. Tam, gdzie tradycyjne rozwiązanie potrzebuje wielu osobnych odczytów, nowa metoda pozwala odzyskać część informacji na podstawie mniejszej liczby pomiarów.

Wyniki eksperymentu okazały się bardzo obiecujące. Naukowcy stworzyli model obejmujący około 2,8 mln wokseli. Są one trójwymiarowym odpowiednikiem pikseli, czyli niewielkimi fragmentami przestrzeni, którym można przypisać określone właściwości.

Do wykonania rekonstrukcji wystarczyło 400 pomiarów dla każdego kąta obserwacji. Dla porównania tradycyjne skanowanie punktowe przy przyjętej rozdzielczości wymagałoby 17,2 tys. pozycji wiązki na kąt. Oznacza to ograniczenie liczby pomiarów 43 razy, czyli o ponad 97 proc.

Nie odbyło się to jednak kosztem utraty możliwości rozpoznawania poszczególnych metali. W opublikowanym badaniu wykazano, że uzyskana rozdzielczość przestrzenna wynosiła około 24 mikrometrów dla miedzi, 21 mikrometrów dla cyrkonu i 17 mikrometrów dla srebra.

Co ciekawe, nowy sposób przetwarzania danych wypadł również lepiej od wcześniejszej, dwuetapowej odmiany tomografii wykorzystującej obrazowanie duchowe. Odtworzone struktury były wyraźniejsze, a na obrazach występowało mniej zakłóceń. Wcześniejsza metoda gorzej radziła sobie zwłaszcza z bardzo drobnymi szczegółami oraz obszarami, z których pochodził słabszy sygnał.

Największe znaczenie tego osiągnięcia nie sprowadza się jednak do samego wyglądu trójwymiarowych modeli. Czas korzystania z synchrotronów jest ograniczony, a badacze z całego świata konkurują o możliwość przeprowadzania eksperymentów. Jeśli szczegółowe pomiary można wykonywać przy znacznie mniejszej liczbie odczytów, otwiera to drogę do analizowania większej liczby próbek i bardziej złożonych materiałów.

Potencjalnych zastosowań jest naprawdę wiele. Technika może przydać się podczas opracowywania akumulatorów, badania skał, analizy nowych materiałów przemysłowych czy obserwowania zmian chemicznych zachodzących w niewielkich strukturach. W przyszłości mogłaby także ułatwić eksperymenty na próbkach biologicznych, których długotrwałe napromienianie jest szczególnie problematyczne.

Mniejsza liczba pomiarów stwarza również możliwość ograniczenia ekspozycji próbki na promieniowanie. To szalenie istotne, ponieważ sam proces obserwacji potrafi niekiedy zmieniać badany materiał. Polscy naukowcy pokazali niedawno, że promieniowanie rentgenowskie może wpływać na przebieg reakcji chemicznej obserwowanej pod mikroskopem. Im mniej niepotrzebnej energii dostarczymy wrażliwej próbce, tym większa szansa, że zobaczymy jej rzeczywiste właściwości.

Przeczytaj także:

Nie oznacza to jednak, że nowa metoda już teraz nadaje się do rutynowego prześwietlania dowolnych przedmiotów. Przeprowadzony eksperyment dotyczył starannie przygotowanej próbki, a uzyskanie obrazu wymagało specjalistycznej aparatury i zaawansowanych obliczeń.

*Grafika wprowadzająca wygenerowana przez AI