Forskaren som utvecklar framtidens 3D-nanoskop

I ett banbrytande projekt vid MAX IV i Lund arbetar Mikhail Lyubomirskiy med att utveckla ett nytt 3D-nanoskop som ska avslöja nanostrukturer djupt inne i stora prover utan att skada dem. Tekniken kan bana väg för nya tillämpningar inom forskning, industri och medicin.

När forskare vill studera strukturer på nanonivå ställs de ofta inför ett dilemma. Dagens teknik kan antingen visa extremt små detaljer eller ge överblick över större prover, men sällan båda samtidigt. Att kombinera båda har länge varit en av de stora utmaningarna inom avancerad avbildning.
– Jag vill göra avancerad röntgenmikroskopi tillgänglig för fler användare och typer av material. Målet är att utveckla ett flerstråligt 3D-nanoskop som kan visualisera stora prover med en upplösning ned till 40 nanometer, säger Mikhail Lyubomirskiy, senior forskare vid MAX IV-laboratoriet och Lunds universitet.
Efter inledande studier vid Moskva universitet fortsatte Mikhail Lyubomirskiy till den europeiska synkrotronanläggningen ESRF i Frankrike för sin doktorsexamen och senare vidare till en större synkrotronanläggning i Tyskland. För drygt ett år sedan flyttade han till MAX IV-laboratoriet i Lund.
– I Sverige är forskningen mer fokuserad på människorna bakom idéerna. Det passar mig väldigt bra. Forskning handlar ytterst om människor som vågar tänka annorlunda.

Hela röntgenstrålen
Det aktuella projektet bygger på avancerad röntgenmikroskopi, där mycket intensiva röntgenstrålar används för att skapa tredimensionella bilder av strukturer som är för små för vanliga mikroskop. Till skillnad från elektronmikroskopi, där upplösningen är hög men proverna måste vara mycket tunna, kan röntgenstrålning tränga djupt in i material och biologiska prover. Problemet är att dagens teknik bara använder en liten del av den tillgängliga strålen från synkrotronanläggningar som MAX IV.
– Ofta används mindre än en procent av strålen, medan resten går till spillo.
Mikhail Lyubomirskiys lösning är att dela upp strålen i flera, upp till 50, parallella delstrålar som belyser olika delar av provet samtidigt. Med hjälp av avancerade algoritmer kan informationen sedan sättas samman till en högupplöst 3D-bild.
Han jämför det med ett rutnät av ljus som träffar provet från flera positioner samtidigt.
– I stället för att mäta punkt för punkt kan vi samla in mycket mer information parallellt. Det innebär att stora prover kan avbildas betydligt snabbare utan att förlora upplösning.
Tekniken bygger på ptykografi, som använder avancerade beräkningsalgoritmer för att skapa extremt detaljrika 3D-bilder, ned till en upplösning på enstaka nanometer, utan att vara beroende av högupplösande optik.

Många användningsområden
Projektet omfattar utveckling av ny optik, nya rekonstruktionsalgoritmer och själva konstruktionen av nanoskopet. Målet är att skapa ett instrument som kan användas inom flera forskningsfält som exempelvis embryologi, läkemedelsforskning, katalysforskning, halvledarindustri och materialvetenskap. På längre sikt ser forskarna även möjligheter inom precisionsmedicin och cancerdiagnostik.
– Jag vill att tekniken ska bli tillgänglig för fler användare inom en rad olika vetenskapliga discipliner. I dag krävs enormt mycket arbete bara för att förbereda proverna. Min vision är att man på sikt ska kunna ta ett prov direkt från verkligheten och få en detaljerad 3D-rekonstruktion utan komplicerade speciallösningar.

Stora datamängder
Projektet är tekniskt krävande. Förutom att utveckla helt ny optik måste forskarna också hantera enorma datamängder. När instrumentet står färdigt väntas det generera lika mycket data som en mindre synkrotronanläggning. Det ställer stora krav på både beräkningskapacitet och nya analysmetoder.
– Det finns inga färdiga lösningar för detta. Vi måste utveckla både hårdvaran och beräkningsmetoderna från grunden.
Att tänja på teknikens och vetenskapens gränser är en central drivkraft i projektet.
– Jag gillar när människor säger att något inte går att göra. Då känner jag att det är värt att försöka. Inom forskning måste man våga utforska det som ännu inte finns och utmana det som uppfattas som omöjligt. Det är ofta där de verkligt stora genombrotten tar sin början, avslutar Mikhail Lyubomirskiy.