_ Reimaginarea microscopiei electronice: Aducerea unei rezoluții de vârf la microscoape cu costuri mai mici

Cercetătorii de la Universitatea Illinois din Urbana-Champaign au arătat pentru prima dată că nu mai sunt necesare microscoape scumpe corectate pentru aberații pentru a atinge o rezoluție microscopică record. .

Domeniul microscopiei se află în mijlocul unei mari revoluții. Începând cu anii 1800 și inventarea microscopului cu lumină compusă, au existat doar câteva salturi majore în rezoluție pentru a vedea diferite scale de lungime: de la bacterii și celule, la viruși și proteine, și chiar până la atomi unici.

În general, pe măsură ce rezoluția a făcut aceste salturi incredibile, la fel și prețul microscoapelor utilizate pentru a obține acea rezoluție. Etichetele de preț atât de mari limitează sever accesibilitatea acestor instrumente. Creșterea actuală a rezoluției provine dintr-o nouă tehnică numită pticografie electronică — o metodă care folosește calculul pentru a crește rezoluția microscoapelor electronice — care a luat cu asalt domeniul în ultimii 5-6 ani.

Cercetătorii. de la Universitatea din Illinois Urbana-Champaign au demonstrat o rezoluție record folosind pticografia electronică pe microscoape electronice cu transmisie „convenționale” (sens convențional fără corectori de aberații scumpi). Acest lucru întrerupe tendința de creștere a prețului microscopului odată cu creșterea rezoluției. Ei au reușit să atingă o rezoluție spațială sub-angstrom profundă de până la 0,44 angstrom (un angstrom este o zece miliarde de metru), ceea ce depășește rezoluția instrumentelor corectate în funcție de aberație și rivalizează cu cele mai mari rezoluții ptyhografice ale acestora.

„În ultimii 90-100 de ani, domeniul nostru s-a gândit că modalitatea de a face o microscopie grozavă este de a face microscoape din ce în ce mai bune”, spune profesorul de știință și inginerie a materialelor Pinshane Huang, care a condus această lucrare. „Cel mai interesant lucru despre cercetarea noastră este că arătăm că nu aveți nevoie de un microscop de ultimă generație pentru a face acest lucru. la fel de bine! Acest lucru este uimitor, deoarece poate exista o diferență de mai multe milioane de dolari în ceea ce privește costurile între cele două configurații."

Această cercetare, co-autorizată de fostul cercetător postdoctoral MatSE UIUC, Kayla Nguyen, fostul MatSE Studentul absolvent al UIUC, Chia-Hao Lee, și cercetătorul din personalul Laboratorului Național Argonne, Yi Jiang, au fost publicate recent în revista Science.

Înainte de pticografie, microscoapele electronice de cea mai înaltă rezoluție foloseau o tehnologie numită corectare a aberațiilor pentru a permite oamenilor de știință să vezi atomi individuali. În loc să folosească un fascicul de lumină pentru a sonda o probă, microscoapele electronice folosesc un fascicul de electroni, focalizat de electromagneți.

Electronii au lungimi de undă de mii de ori mai mici decât lumina vizibilă, ceea ce permite microscoapelor electronice să rezolve obiecte care sunt de multe ori mai mici decât se pot observa cu microscoapele optice. Oamenii de știință folosesc aceste microscoape pentru a decoda structurile obiectelor, de la proteina spike de pe virusul COVID-19 la aranjamentele atomilor din grafen și, mai general, pentru a cerceta în interiorul materiei pentru a înțelege structura atomică, compoziția și legăturile acesteia.

Cu toate acestea, una dintre provocările utilizării fasciculelor de electroni este focalizarea acestui fascicul. „Este imposibil să faci o lentilă perfectă pentru electroni”, spune Huang. „Ceea ce au făcut oamenii pentru a compensa este să facă lentile „rele” și apoi să pună corectoare de aberații după ele, care sunt o serie de lentile „rele” care sunt „rele” în moduri opuse. și acesta a fost standardul de aur pentru modul în care ne imaginăm la scară atomică de cel puțin 20 de ani.”

În optică, o aberație este orice fel în care o lentilă se abate de la o lentilă perfectă. De exemplu, ochii umani pot avea mai multe tipuri de aberații, cum ar fi miopie și miopie (ochii nu se pot concentra la toate distanța) și astigmatismul (curbura globului ocular care provoacă vedere încețoșată).

Lee. explică: „Pentru lentilele electromagnetice, modul de focalizare a acestor electroni este printr-un câmp electromagnetic. Dar nu avem o modalitate excelentă de a controla forma și puterea câmpului electromagnetic, ceea ce limitează foarte mult cât de precis avem poate focaliza acești electroni.”

În microscopia corectată în funcție de aberații, tehnologia actuală de ultimă oră, există o stivă suplimentară de lentile pentru a corecta aberațiile de la lentilele obișnuite, care schimbă forma fasciculului. înainte de a atinge proba. Aceste lentile suplimentare de corectare a aberațiilor sunt acolo unde se adaugă costuri semnificative la microscop.

Deși este imposibil să se realizeze o lentilă perfectă, obiectivul ultimilor 100 de ani a fost de a face continuu lentile mai bune pentru a minimiza aberațiile. . Însă Huang spune: „Ceea ce este interesant la ptyhografie este că nu trebuie să faci lentile din ce în ce mai bune. Ceea ce putem face în schimb este să folosim computere.”

În loc să folosim un teanc de lentile optice pentru a elimina aberațiile, ptyhografia le înlătură computațional. Cu o nouă generație de detectoare, numite detectoare hibride de pixeli, care costă câteva sute de mii de dolari (comparativ cu microscoapele corectate în funcție de aberații care costă până la 7 milioane de dolari) și algoritmi de computer, această metodă poate dubla, tripla sau chiar cvadruplica rezoluția a ceea ce un microscop poate realiza cu lentilele sale fizice.

Huang și echipa ei au arătat că abordarea lor dublează de patru ori rezoluția microscoapelor electronice cu transmisie convenționale. În plus, aproape orice microscop electronic cu transmisie de scanare poate fi acum adaptat pentru a obține o rezoluție de ultimă generație la o fracțiune din cost.

Deși această abordare schimbă jocul, Huang observă că ptyhografia este încă o tehnică provocatoare care necesită multă putere de calcul. Pot dura ore pentru a obține o singură reconstrucție pentru a ajunge la cea mai bună rezoluție. Dar, ca și în cazul multor alte tehnologii, calculul avansează destul de rapid și devine mai ieftin, mai rapid și mai ușor de utilizat.

„Am adus o tehnică de ultimă oră, ptyhografia electronică, la microscoapele electronice cu transmisie convenționale pentru a arăta pentru prima dată când un microscop „mediocru” poate funcționa la fel de bine ca și cele mai scumpe microscoape de pe piață”, spune Huang.

„Acest lucru este semnificativ pentru sutele de instituții din țară și din întreaga lume care anterior nu-și puteau permite avangarda. Acum, tot ce au nevoie este un detector, niște computere și pticografie electronică. Și odată ce faci asta, poți vedea lumea atomică cu mult mai multe detalii decât și-a imaginat oricine chiar acum 10 ani. Aceasta reprezintă o schimbare uriașă de paradigmă.”

(Fluierul)