Nueva óptica monocromadora para rayos X tiernos

Hasta ahora, ha sido extremadamente tedioso realizar mediciones con alta sensibilidad y alta resolución espacial utilizando luz de rayos X en el tierno rango de energía de 1,5 - 5,0 keV. Sin embargo, esta luz de rayos X es ideal para investigar materiales energéticos como baterías o catalizadores, pero también sistemas biológicos. Un equipo de la HZB ha resuelto ahora este problema: la óptica monocromadora recién desarrollada aumenta el flujo de fotones en el rango de energía tierna por un factor de 100 y permite así mediciones altamente precisas de sistemas nanoestructurados. El método se ha probado con éxito por primera vez en nanopartículas y microchips catalíticamente activos.

Un suministro de energía neutro desde el punto de vista climático requiere una gran variedad de materiales para los procesos de conversión de energía, por ejemplo, materiales catalíticamente activos y nuevos electrodos para baterías. Muchos de estos materiales tienen nanoestructuras que aumentan su funcionalidad. Cuando se investigan estas muestras, lo ideal es combinar las mediciones espectroscópicas para detectar las propiedades químicas con la obtención de imágenes de rayos X de alta resolución espacial a escala nanométrica. Sin embargo, dado que los elementos clave de estos materiales, como el molibdeno, el silicio o el azufre, reaccionan predominantemente a los rayos X en el llamado rango de energía de fotones tiernos, hasta ahora ha habido un gran problema.

Esto se debe a que en este rango de energía "tierna", entre los rayos X blandos y los duros, las ópticas de rayos X convencionales de rejillas planas o monocromadores de cristal sólo ofrecen eficiencias muy bajas. Un equipo de HZB ha resuelto ahora este problema: "Hemos desarrollado una nueva óptica de monocromador. Esta óptica se basa en una rejilla de dientes de sierra multicapa adaptada con un espejo plano", explica Frank Siewert, del Departamento de Óptica y Líneas de Luz de HZB. El nuevo concepto de monocromador aumenta el flujo de fotones en el rango de los rayos X tiernos por un factor de 100 y, por lo tanto, permite realizar por primera vez mediciones espectromicroscópicas muy sensibles con alta resolución. "En poco tiempo hemos podido recoger datos de espectrometría NEXAFS a escala nanométrica. Lo hemos demostrado en nanopartículas catalíticamente activas y en modernas estructuras de microchips", afirma Stephan Werner, primer autor de la publicación. "El nuevo desarrollo permite ahora realizar experimentos que, de otro modo, habrían requerido meses de recogida de datos", subraya Werner.

"Este monocromador se convertirá en el método de elección para la obtención de imágenes en este rango de energía de rayos X, no sólo en los sincrotrones de todo el mundo, sino también en los láseres de electrones libres y en las fuentes de laboratorio", afirma Gerd Schneider, que dirige el Departamento de Microscopía de Rayos X en HZB. Espera efectos enormes en muchas áreas de la investigación de materiales: Los estudios en el rango de los rayos X tiernos podrían hacer avanzar significativamente el desarrollo de materiales energéticos y contribuir así a soluciones climáticamente neutras para el suministro de electricidad y energía.