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Incrível microscópio vê átomos em resolução recorde: Esta imagem mostra uma reconstrução pticográfica eletrônica de um cristal de ortoscandato de praseodímio (PrScO3), ampliado 100 milhões de vezes.
Em 2018, os pesquisadores de Cornell construíram um detector de alta potência que, em combinação com um processo acionado por algoritmo chamado pticografia, estabeleceu um recorde mundial ao triplicar a resolução de um microscópio eletrônico de última geração.
Por mais bem-sucedida que tenha sido, essa abordagem tinha uma fraqueza. Só funcionou com amostras ultrafinas com alguns átomos de espessura. Qualquer coisa mais espessa faria com que os elétrons se espalhassem de maneiras que não poderiam ser desembaraçadas.
Agora, uma equipe, novamente liderada por David Muller, professor de engenharia Samuel B. Eckert, superou seu próprio recorde por um fator de dois com um detector de matriz de pixels de microscópio eletrônico (EMPAD) que incorpora algoritmos de reconstrução 3D ainda mais sofisticados.
A resolução é tão afinada que o único borrão que resta é a agitação térmica dos próprios átomos.
O artigo do grupo, “Electron Ptychography Reachs Atomic-Resolution Limits Set by Lattice Vibrations”, publicado em 20 de maio na Science. O principal autor do artigo é o pesquisador de pós-doutorado Zhen Chen.
"Isso não apenas estabelece um novo recorde", disse Muller. “Chegou a um regime que efetivamente será um limite final para a resolução. Basicamente, agora podemos descobrir onde os átomos estão de uma maneira muito fácil. Isso abre muitas novas possibilidades de medição de coisas que queríamos fazer há muito tempo. Também resolve um problema de longa data – desfazer a dispersão múltipla do feixe na amostra, que Hans Bethe apresentou em 1928 – que nos impedia de fazer isso no passado.”
A pticografia funciona escaneando padrões de dispersão sobrepostos de uma amostra de material e procurando mudanças na região de sobreposição.
“Estamos perseguindo padrões de manchas que se parecem muito com os padrões de ponteiros de laser pelos quais os gatos são igualmente fascinados”, disse Muller. “Ao ver como o padrão muda, somos capazes de calcular a forma do objeto que causou o padrão.”
O detector é levemente desfocado, borrando o feixe , a fim de capturar a maior faixa de dados possível. Esses dados são então reconstruídos por meio de algoritmos complexos, resultando em uma imagem ultraprecisa com precisão de picômetro (um trilionésimo de metro).
“Com esses novos algoritmos, agora podemos corrigir todo o desfoque do nosso microscópio até o ponto em que o maior fator de desfoque que resta é o fato de que os próprios átomos estão oscilando, porque é isso que acontece com átomos em temperatura finita. ”, disse Muller. “Quando falamos de temperatura, o que estamos realmente medindo é a velocidade média de quanto os átomos estão balançando.”
Os pesquisadores poderiam superar seu recorde novamente usando um material que consiste em átomos mais pesados, que oscilam menos, ou resfriando a amostra. Mas mesmo em temperatura zero, os átomos ainda têm flutuações quânticas, então a melhoria não seria muito grande.
Esta última forma de pticografia eletrônica permitirá que os cientistas localizem átomos individuais em todas as três dimensões quando eles poderiam estar ocultos usando outros métodos de imagem. Os pesquisadores também poderão encontrar átomos de impureza em configurações incomuns e visualizá-los e suas vibrações, um de cada vez. Isso pode ser particularmente útil na imagem de semicondutores, catalisadores e materiais quânticos – incluindo aqueles usados na computação quântica – bem como para analisar átomos nos limites onde os materiais são unidos.
O método de imagem também pode ser aplicado a células ou tecidos biológicos espessos, ou até mesmo às conexões de sinapse no cérebro – o que Muller chama de “conecômica sob demanda”.
Embora o método seja demorado e computacionalmente exigente, ele pode se tornar mais eficiente com computadores mais poderosos em conjunto com aprendizado de máquina e detectores mais rápidos.
“Queremos aplicar isso a tudo o que fazemos”, disse Muller, que co-dirige o Kavli Institute em Cornell for Nanoscale Science e co-preside a Nanoscale Science and Microsystems Engineering (NEXT Nano) Task Force, parte da iniciativa Radical Collaboration de Cornell. . “Até agora, todos nós estávamos usando óculos muito ruins. E agora temos um par muito bom. Por que você não quer tirar os óculos velhos, colocar os novos e usá-los o tempo todo?”
Referência:
“Pticografia eletrônica atinge limites de resolução atômica estabelecidos por vibrações de rede” por Zhen hen, Yi Jiang, Yu-Tsun Shao, Megan E. Holtz, Michal Odstrcil, Manuel Guizar-Sicairos, Isabelle Hanke, Steffen Ganschow, Darrell G. Schlom e David A. Mull, 21 de maio de 2021, Ciência .
DOI: 10.1126/science.abg2533
Os co-autores incluem Darrell Schlom, Professor Herbert Fisk Johnson de Química Industrial; Yi Jiang, Ph.D. '18 e agora um cientista de dados de linha de luz no Laboratório Nacional de Argonne; pesquisadores de pós-doutorado Yu-Tsun Shao e Megan Holtz, Ph.D. '17; e pesquisadores do Paul Scherrer Institute e do Leibniz Institute for Crystal Growth.
Incredible Microscope Sees Atoms at Record Resolution, scitechdaily. https://scitechdaily.com/incredible-microscope-sees-atoms-at-record-resolution/?fbclid=IwAR2_QeN3JLLTGVoH62-trc0s10XyEECe8HxhsDf34L9HQSYensUz93aTGmM
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Por mais bem-sucedida que tenha sido, essa abordagem tinha uma fraqueza. Só funcionou com amostras ultrafinas com alguns átomos de espessura. Qualquer coisa mais espessa faria com que os elétrons se espalhassem de maneiras que não poderiam ser desembaraçadas.
Agora, uma equipe, novamente liderada por David Muller, professor de engenharia Samuel B. Eckert, superou seu próprio recorde por um fator de dois com um detector de matriz de pixels de microscópio eletrônico (EMPAD) que incorpora algoritmos de reconstrução 3D ainda mais sofisticados.
A resolução é tão afinada que o único borrão que resta é a agitação térmica dos próprios átomos.
O artigo do grupo, “Electron Ptychography Reachs Atomic-Resolution Limits Set by Lattice Vibrations”, publicado em 20 de maio na Science. O principal autor do artigo é o pesquisador de pós-doutorado Zhen Chen.
"Isso não apenas estabelece um novo recorde", disse Muller. “Chegou a um regime que efetivamente será um limite final para a resolução. Basicamente, agora podemos descobrir onde os átomos estão de uma maneira muito fácil. Isso abre muitas novas possibilidades de medição de coisas que queríamos fazer há muito tempo. Também resolve um problema de longa data – desfazer a dispersão múltipla do feixe na amostra, que Hans Bethe apresentou em 1928 – que nos impedia de fazer isso no passado.”
A pticografia funciona escaneando padrões de dispersão sobrepostos de uma amostra de material e procurando mudanças na região de sobreposição.
“Estamos perseguindo padrões de manchas que se parecem muito com os padrões de ponteiros de laser pelos quais os gatos são igualmente fascinados”, disse Muller. “Ao ver como o padrão muda, somos capazes de calcular a forma do objeto que causou o padrão.”
O detector é levemente desfocado, borrando o feixe , a fim de capturar a maior faixa de dados possível. Esses dados são então reconstruídos por meio de algoritmos complexos, resultando em uma imagem ultraprecisa com precisão de picômetro (um trilionésimo de metro).
“Com esses novos algoritmos, agora podemos corrigir todo o desfoque do nosso microscópio até o ponto em que o maior fator de desfoque que resta é o fato de que os próprios átomos estão oscilando, porque é isso que acontece com átomos em temperatura finita. ”, disse Muller. “Quando falamos de temperatura, o que estamos realmente medindo é a velocidade média de quanto os átomos estão balançando.”
Os pesquisadores poderiam superar seu recorde novamente usando um material que consiste em átomos mais pesados, que oscilam menos, ou resfriando a amostra. Mas mesmo em temperatura zero, os átomos ainda têm flutuações quânticas, então a melhoria não seria muito grande.
Esta última forma de pticografia eletrônica permitirá que os cientistas localizem átomos individuais em todas as três dimensões quando eles poderiam estar ocultos usando outros métodos de imagem. Os pesquisadores também poderão encontrar átomos de impureza em configurações incomuns e visualizá-los e suas vibrações, um de cada vez. Isso pode ser particularmente útil na imagem de semicondutores, catalisadores e materiais quânticos – incluindo aqueles usados na computação quântica – bem como para analisar átomos nos limites onde os materiais são unidos.
O método de imagem também pode ser aplicado a células ou tecidos biológicos espessos, ou até mesmo às conexões de sinapse no cérebro – o que Muller chama de “conecômica sob demanda”.
Embora o método seja demorado e computacionalmente exigente, ele pode se tornar mais eficiente com computadores mais poderosos em conjunto com aprendizado de máquina e detectores mais rápidos.
“Queremos aplicar isso a tudo o que fazemos”, disse Muller, que co-dirige o Kavli Institute em Cornell for Nanoscale Science e co-preside a Nanoscale Science and Microsystems Engineering (NEXT Nano) Task Force, parte da iniciativa Radical Collaboration de Cornell. . “Até agora, todos nós estávamos usando óculos muito ruins. E agora temos um par muito bom. Por que você não quer tirar os óculos velhos, colocar os novos e usá-los o tempo todo?”
Referência:
“Pticografia eletrônica atinge limites de resolução atômica estabelecidos por vibrações de rede” por Zhen hen, Yi Jiang, Yu-Tsun Shao, Megan E. Holtz, Michal Odstrcil, Manuel Guizar-Sicairos, Isabelle Hanke, Steffen Ganschow, Darrell G. Schlom e David A. Mull, 21 de maio de 2021, Ciência .
DOI: 10.1126/science.abg2533
Os co-autores incluem Darrell Schlom, Professor Herbert Fisk Johnson de Química Industrial; Yi Jiang, Ph.D. '18 e agora um cientista de dados de linha de luz no Laboratório Nacional de Argonne; pesquisadores de pós-doutorado Yu-Tsun Shao e Megan Holtz, Ph.D. '17; e pesquisadores do Paul Scherrer Institute e do Leibniz Institute for Crystal Growth.
Incredible Microscope Sees Atoms at Record Resolution, scitechdaily. https://scitechdaily.com/incredible-microscope-sees-atoms-at-record-resolution/?fbclid=IwAR2_QeN3JLLTGVoH62-trc0s10XyEECe8HxhsDf34L9HQSYensUz93aTGmM
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Ciência e Tecnologia