0,039 nm! Mikroskop çözünürlüğü rekor kırdı, Çinli bilim adamı "Doğa" makalesi yayınlandı Röportaj
2500 yıl önce, Yunan filozofları maddenin bileşimi hakkında durmadan tartıştılar. Kimyagerlerin teorik olarak atom altı ölçekte yapıları keşfetmeleri yaklaşık 200 yıl önceydi.
Bu ince yapıları görmek için bilim adamları sürekli olarak çok çalışıyorlar. Optik mikroskobun 16. yüzyılda icat edilmesinden bu yana, 400 yıl sonra, 20. yüzyılın başında, elektron mikroskobunun icadı, optik mikroskobun doğal kırınım sınırını (yaklaşık 200 nanometre) kırdı ve tek tek atomları kolayca ayırt edebilir. Ancak atom altı bir dünya için bu çözünürlük yeterli olmaktan uzak.
Son zamanlarda, Cornell Üniversitesi Uygulamalı ve Mühendislik Fiziği (AEP) Bölümü'nden Profesör David Muller ve Fizik Profesörü Sol Gruner ve Veit Elser, elektron mikroskobunun görüntüleme çözünürlüğünün en son dünyasını elde etmek için Elektron Mikroskobu Piksel Dizisi Dedektörünü (EMPAD) geliştirdiler. Kayıt-0.39 Å (1 Å = 0.1 nm = 0.0000000001 metre).
Bu sonuç 18 Temmuz'da "Nature" dergisinde yayınlandı. Makalenin ilk ortak yazarları, Çinli fizik doktora öğrencisi Jiang Yi ve Muller'in ekibinden doktora sonrası araştırmacı Chen Zhen.
Şekil David Muller, Chen Zhen, Jiang Yi
Bu rekor kıran yüksek çözünürlüğü elde etmek için araştırmacılar birçok çaba sarf ettiler. Makalenin yazarı Dr. Chen Zhen, Bay DT'ye şunları söyledi: Yüksek çözünürlük elde etmek için, EMPAD dedektörleri için geniş dinamik aralık, tek elektron duyarlılığı ve düşük gürültü ve yeterince hızlı sinyal alımı gerektiren birçok gereksinim vardır. hız. "
Şekil | Farklı teknolojilerin tek katmanlı MoS2 görüntüleme üzerindeki etkisi (bu makalede kullanılan yığınlanmış kırınım görüntüleme teknolojisi Şekil d'dir. Kaynak: Doğa)
Ultra yüksek çözünürlük kaydedin: 0.000000000039m
Hepimizin bildiği gibi, elektron mikroskobunun optik mikroskobunkinden çok daha yüksek bir çözünürlük elde edebilmesinin nedeni, elektron dalga boyunun görünür ışığın dalga boyundan çok daha küçük olması, ancak elektron mikroskobunun lensinin bu orantılı doğruluğa sahip olmamasıdır.
Muller'a göre, bir elektron mikroskobunun çözünürlüğü büyük ölçüde merceğin sayısal açıklığına bağlıdır. Geleneksel kameralarda, sayısal açıklık, "f sayısının" (açıklık değeri) tersidir, bu nedenle "f sayısı" ne kadar küçükse, çözünürlük o kadar yüksek olur.
İyi bir kameranın "f sayısı" 2'den biraz daha azken, bir elektron mikroskobunun "f sayısı" yaklaşık 100'dür. Profesör Muller, sapma düzelticilerin kullanımının bu değeri yaklaşık 40'a düşürebileceğini, ancak bu yeterli olmaktan uzak olduğunu söyledi.
Elektron mikroskobunun merceğinin anormallik denilen doğal bir kusuru vardır.Bilim adamları, bu sapmayı ortadan kaldırmak için, bir mikroskoba bir çift gözlük vermek gibi, uzun yıllardır çeşitli sapma düzelticileri üzerinde çalışmaktadırlar. Bununla birlikte, sapma düzelticilerinin rolü de sınırlıdır. Birden fazla sapmayı düzeltmek için, tıpkı gözlük takmak ve ardından gözlük takmak gibi bir dizi düzeltme birimi kullanılmalıdır, bu da tüm aleti şişirir ve garip hale getirir.
Genel olarak konuşursak, bir elektron mikroskobunun görüntü çözünürlüğünü iyileştirmenin yolu, tıpkı bir optik mikroskoptaki bir nesnenin aydınlatmasını arttırmak gibi, sayısal açıklığı artırmak ve elektron ışınının enerjisini artırmaktır. Elektron mikroskobu çözünürlüğünün önceki dünya rekoru - alt angstrom çözünürlüğü -, sapma düzeltme lensleri ve 300 keV (300.000 elektron volt) ultra yüksek ışın enerjisi kullanılarak elde edildi. Normalde, atomik bağların uzunluğu yaklaşık bir ila iki angstromdur (Å), bu nedenle alt angstrom çözünürlüğü, bilim insanlarının tek tek atomların görüntülerini kolayca ayırt etmesine olanak tanır.
EMPAD dedektörünü kullanan Muller ekibi, sapma düzelticileri kullanmadan gözlem örneği olarak tek bir atomik tabaka kalınlığına sahip tek bir molibden disülfür tabakası kullandı ve elektron mikroskobu görüntüleme çözünürlüğünün en son dünya rekoru olan 0.39 angstrom'u elde etti. .
Muller ekibinin elde edebileceği mevcut dünya rekoru çözünürlüğü yalnızca 80 keV elektron ışını enerjisi gerektirir. Bu daha düşük ve daha az tahrip edici düşük elektron ışını enerjisinde, tek başına sapma düzeltme merceğinin elde ettiği çözünürlük yalnızca 0,98 Å değerine ulaşabilir.
Şekil | Biri diğerine göre 6.8 ° döndürülmüş, üst üste bindirilmiş iki molibden disülfür tek katmanının yığılmış kırınım görüntüleri. Şekildeki atomlar arasındaki mesafenin dağılımı, tam bağ uzunluğundan tam örtüşmeye kadar olan durumla ilgilidir (kaynak: Doğa)
EMPAD nasıl çalışır?
Yaygın bir taramalı transmisyon elektron mikroskobunun (STEM) çalışma prensibi, numuneye dar bir elektron demeti çekmek ve bir görüntü oluşturmak için ileri geri taramaktır. Numunenin altındaki dedektör, farklı yoğunluklardaki elektron dağılımını okur ve görüntüyü çizmek için sinyali bilgisayar ekranına gönderir.
EMPAD dedektörü, 128 × 128 elektro-duyarlı dizi piksellerinden oluşur.Her 150 mikron kare, sinyali okuyan entegre bir devreye bağlanır. Bu, ışığa duyarlı dizi dijital kamera sensöründeki piksellere biraz benzer, ancak EMPAD oluşturmak için kullanılmaz Görüntü, ancak elektronların açısını tespit etmek için her elektron farklı piksellere çarpabilir.
Şekil | Solda, numuneye dar bir elektron ışını yayan ve elektron ışınının tarama hareketiyle bir görüntü oluşturan STEM var. Sağda, numunenin atomik yapısı hakkında bilgi sağlamak için numunenin altına düşen elektronların açısını okuyan EMPAD dedektörü var. (Fotoğraf kaynağı: Cornell Üniversitesi)
Elektron mikroskobunun odaklanmış ışını ve ptychography ile faz geri kazanımı ile birleştirilen dedektör, araştırmacıların elektronun iç atomik yapısını ve kuvvetini göstermek için numuneden geçerken elektron pozisyonu ve momentumunun "dört boyutlu" bir haritasını oluşturmasına olanak tanır. .
Muller, "Yerel gerinim, eğim, rotasyon, polarite ve hatta manyetik ve elektrik alanları çıkarabiliriz." Dedi.
Molibden disülfür (MoS2) numunesinin yapısına zarar vermemek için Muller'in ekibinin kullandığı elektron ışını enerjisi sadece 80 keV'dir. Elektron ışınının enerjisi düşük olmasına rağmen, EMPAD ile elde edilen görüntüleme çözünürlüğü çok iyidir.Elektron mikroskobu, bir tür kafes kusuru olan iki boyutlu bir malzemede eksik bir kükürt atomunu şaşırtıcı bir netlikle tespit edebilir. Profesör Gruner, "Bu beni gerçekten şaşırttı" dedi.
EMPAD elektron mikroskobunun görüntüleme yetenekleri minimum atomik bağ uzunluğunu aştığından, yöntemi test etmek için yeni bir numuneye ihtiyaç vardır. Muller ekibinden Dr. Yimo Han ve Pratiti Deb, iki tek tabakalı MoS2'yi üst üste bindirip birini diğerine göre bir açıyla döndürerek geldi. Bu şekilde, zıt açılara sahip iki MoS2 tabakası üzerindeki atomik projeksiyonlar, tam bağ uzunluğundan üst üste binen atomik aralığa bir dağılım üretir. Profesör Gruner, "Dünyanın en küçük hükümdarı gibi!" Dedi.
Bu elektron mikroskobunda kullanılan EMPAD algılama kamerası, tek bir elektrondan yüz binlerce ve hatta milyonlarca elektron içeren güçlü bir elektron ışınına kadar geniş bir elektron yoğunluk aralığını algılayabilen ultra yüksek dinamik bir aralığa sahiptir.
Resim | Solda fizik profesörü Sol Gruner, sağda ise uygulamalı ve mühendislik fizikçisi Profesör David Muller.
Muller, "EMPAD bir görüntü karesini bir milisaniyeden daha kısa sürede kaydeder ve her görüntü karesi piksel başına bir ila bir milyon elektron algılayabilir" dedi. "Bu, geleneksel elektronik görüntü sensörlerinin 1000 katı dinamik aralık ve 100 katı hızdır."
Yeni bir atomaltı yapı ufku
Dr. Chen Zhen, gelecekte daha iyi çözünürlüğe sahip mikroskoplar hakkında konuşurken DT Jun'a şunları söyledi: Daha iyi dedektörler ve daha etkili görüntü yeniden yapılandırma algoritmaları, çözünürlüğü daha da iyileştirmenin anahtarıdır.
Deneysel sistemin kararlılığı da çözünürlüğün iyileştirilmesi üzerinde büyük bir etkiye sahip olacaktır. Elektron mikroskobu görüntüleme sisteminin kararlılığını iyileştirmek ve veri toplama hızını artırmak, daha hızlı bir kameranın geliştirilmesinin sistemin kararlılığını etkili bir şekilde artırabileceği anlamına gelir. Bunlar şu anda gelişiyor ve önümüzdeki beş ila on yıl içinde yeni atılımlar gerçekleşebilir. "
EMPAD, Cornell Üniversitesi tarafından Thermo Scientific (eski adıyla FEI) Elektron Mikroskobu'nun ticarileştirilmesi için yetkilendirildi ve onlarca sipariş aldı. Chen Zhen, "EMPAD, yaygın olarak kullanılan nokta dedektörlerinin yerini alması beklenen mevcut elektron mikroskoplarının çoğuna kurulabilir ve ayrıca yeni elektron mikroskopları için yeni bir standart modül olarak da kullanılabilir." Dedi.
Bu yeni teknoloji sayesinde, malzeme bilimi alanı için şüphesiz harika bir haber olan atom altı yapıyı nihayet net bir şekilde belirleyebiliyoruz. Nanokristalin malzemeler ve amorf metaller gibi malzemeler için, daha önce sadece teori yoluyla ince yapıları hakkında spekülasyon yapabiliyorduk, ancak şimdi nihayet doğru ölçümler yapabiliyoruz.
Chen Zhen, bu yeni elektron mikroskobu yönteminin geniş bir görüş alanı ile düşük dozlu görüntüleme ve atom altı yüksek çözünürlüklü görüntülemeye uygulanabileceğini, üç boyutlu holografik atomik çözünürlüklü yapısal rekonstrüksiyonun da mümkün olduğunu ve bu şekilde tüm malzemelerin elde edilebileceğini belirtti. Bu talimatlara diğer mevcut STEM teknolojileri ile ulaşmak zordur ve aynı zamanda elektron mikroskobu tarafından izlenen nihai hedeflerdir.Güncel teknoloji düzeyinde, bu yöntem birçok malzeme ve fiziği çözmek için kullanılabilir. Ve iki boyutlu malzemeler, enerji malzemeleri ve gözenekli malzemeler gibi kimyasal alanda endişe yaratan yapısal sorunlar. "
Ek olarak, "Bu yöntemin şu anda 3D görüntüleme yöntemleri var ve yakın gelecekte 3D görüntülemenin elde edilebilmesi çok umut verici. Düşük dozlu görüntüleme yapabildiği için proteinlerin ve diğer biyolojik makromoleküllerin yapısını görüntülemek de mümkün." Dr. Chen Zhen dedi.
Uygulamalı ve mühendislik fiziği yardımcı doçenti Lena Kourkoutis, "Artık bozulmamış hücrelerdeki süreçleri daha iyi anlayabiliyoruz" dedi. Düşük doz radyasyon, daha net 3D görüntüler elde etmek için birden fazla pozlama, hücresel işlemlerin hızlandırılmış fotoğrafını veya aynı numuneyi farklı açılardan görüntülemeyi sağlayabilir.
Kourkoutis, kanserin hücreler arasında nasıl geliştiğini incelemek için Cornell Kanser Metabolizma Fizik Merkezi ile işbirliği yapmak için bu teknolojileri kullanmayı planlıyor.
