En simpel eftermontering omdanner elektronmikroskoper til højhastighedskameraer i atomskala

Forskere ved National Institute of Standards and Technology (NIST) og deres samarbejdspartnere har udviklet en måde at eftermontere transmissionselektronmikroskopet-et mangeårigt videnskabeligt arbejdshest til at lave skarpe mikroskopiske billeder-så det også kan skabe film af høj kvalitet med super -hurtige processer i atom- og molekylskalaen. Kompatibel med gamle og nye elektronmikroskoper, eftermonteringen lover at muliggøre frisk indsigt i alt fra mikroskopiske maskiner til næste generations computerchips og biologisk væv ved at gøre denne filmoptagelse mere tilgængelig for laboratorier overalt.

"Vi ønsker at kunne se på ting inden for materialevidenskaben, der sker virkelig hurtigt, "sagde NIST-forskeren June Lau. Hun rapporterer den første proof-of-concept-drift af dette eftermonterede design med sine kolleger i tidsskriftet Gennemgang af videnskabelige instrumenter . Teamet designet eftermonteringen til at være en omkostningseffektiv tilføjelse til eksisterende instrumenter. "Det forventes at være en brøkdel af omkostningerne ved et nyt elektronmikroskop, " hun sagde.

En næsten 100 år gammel opfindelse, elektronmikroskopet er fortsat et vigtigt redskab i mange videnskabelige laboratorier. En populær version er kendt som transmissionselektronmikroskop (TEM), som affyrer elektroner gennem en målprøve for at producere et billede. Moderne versioner af mikroskopet kan forstørre objekter med op til 50 millioner gange. Elektronmikroskoper har hjulpet med at bestemme strukturen af ​​vira, teste driften af ​​computerkredsløb, og afsløre effektiviteten af ​​nye lægemidler.

"Elektronmikroskoper kan se på meget små ting på atomskalaen, "Sagde Lau." De er fantastiske. Men historisk set de ser på ting, der er fikset i tide. De er ikke gode til at se bevægelige mål, " hun sagde.

I de sidste 15 år har laserassisterede elektronmikroskoper muliggjorde videoer, men sådanne systemer har været komplekse og dyre. Selvom disse opsætninger kan fange begivenheder, der varer fra nanosekunder (milliarder af et sekund) til femtosekunder (kvadrilliondeler af et sekund), et laboratorium skal ofte købe et nyere mikroskop for at imødekomme denne kapacitet samt en specialiseret laser, med en samlet investering, der kan løbe op i millioner af dollars. Et laboratorium har også brug for intern laser-fysik-ekspertise for at hjælpe med at oprette og drive et sådant system.

"Ærligt talt, ikke alle har den kapacitet, "Sagde Lau.

I modsætning, eftermonteringen gør det muligt for TEM'er i alle aldre at lave film i høj kvalitet i størrelsen på picosekunder (billioner af et sekund) ved at bruge en relativt enkel "strålehakker". I princippet, strålehakkeren kan bruges i enhver producentens TEM. For at installere det, NIST -forskere åbner mikroskopkolonnen direkte under elektronkilden, indsæt strålehakkeren og luk mikroskopet op igen. Lau og hendes kolleger har med succes eftermonteret tre TEM'er med forskellige muligheder og vintage.

Som et stroboskop, denne strålehakker frigiver præcist timede pulser af elektroner, der kan fange rammer af vigtige gentagne eller cykliske processer.

"Forestil dig et pariserhjul, der bevæger sig på en cyklisk og gentagelig måde, "Sagde Lau." Hvis vi optager det med et hul i et hul, det vil se sløret ud. Men vi vil se individuelle biler. Jeg kan sætte en lukker foran pinhole -kameraet, så lukkerhastigheden matcher hjulets bevægelse. Vi kan få lukkeren til at åbne, når en bestemt bil går til toppen. På denne måde kan jeg lave en stak billeder, der viser hver bil øverst på pariserhjulet, " hun sagde.

Ligesom lyslukker, strålehakkeren afbryder en kontinuerlig elektronstråle. Men i modsætning til lukkeren, som har en blænde, der åbner og lukker, denne stråleåbning forbliver åben hele tiden, eliminerer behovet for en kompleks mekanisk del.

I stedet, strålehakkeren genererer en radiofrekvent (RF) elektromagnetisk bølge i retning af elektronstrålen. Bølgen får de rejsende elektroner til at opføre sig "som propper, der bobber op og ned på overfladen af ​​en vandbølge, "Sagde Lau.

Rider denne bølge, elektronerne følger en bølgende vej, når de nærmer sig blænden. De fleste elektroner er blokeret undtagen dem, der er perfekt tilpasset blændeåbningen. Frekvensen af ​​RF -bølgen kan indstilles, så elektroner rammer prøven alt fra 40 millioner til 12 milliarder gange i sekundet. Som resultat, forskere kan fange vigtige processer i prøven med tidsintervaller fra omkring et nanosekund til 10 picosekunder.

På denne måde, det NIST-eftermonterede mikroskop kan fange atomskala-detaljer om frem og tilbage-bevægelser i små maskiner, såsom mikroelektromekaniske systemer (MEMS) og nanoelektromekaniske systemer (NEMS). Det kan potentielt studere de regelmæssigt gentagne signaler i antenner, der bruges til højhastighedskommunikation, og undersøge bevægelsen af ​​elektriske strømme i næste generations computerprocessorer.

I en demo, forskerne ønskede at bevise, at et eftermonteret mikroskop fungerede, som det gjorde før eftermonteringen. De afbildede guld nanopartikler i både den traditionelle "kontinuerlige" tilstand og pulserede stråle tilstand. Billederne i pulserende tilstand havde sammenlignelig klarhed og opløsning med stillbillederne.

"Vi designede det, så det skulle være det samme, "Sagde Lau.

Strålehakkeren kan også gøre dobbelt pligt, pumpe RF -energi ind i materialeprøven og derefter tage billeder af resultaterne. Forskerne demonstrerede denne evne ved at injicere mikrobølger (en form for radiobølge) i en metallisk, kamformet MEMS-enhed. Mikrobølgerne opretter elektriske felter i MEMS -enheden og får elektronernes indgående pulser til at afbøje. Disse elektronbøjninger gør det muligt for forskere at bygge film af mikrobølgerne, der formerer sig gennem MEMS -kam.

Lau og hendes kolleger håber, at deres opfindelse snart kan gøre nye videnskabelige opdagelser. For eksempel, det kunne undersøge adfærden ved hurtigt skiftende magnetfelter i hukommelsesenheder i molekylær skala, der lover at gemme mere information end før.

Forskerne brugte seks år på at opfinde og udvikle deres strålehakker og har modtaget flere patenter og en R&D 100 Award for deres arbejde. Medforfattere i arbejdet omfattede Brookhaven National Laboratory i Upton, New York, og Euclid Techlabs i Bolingbrook, Illinois.

En af de ting, der gør Lau mest stolt, er, at deres design kan puste nyt liv i enhver TEM, herunder den 25-årige enhed, der udførte den seneste demonstration. NIST-designet giver laboratorier overalt potentiale til at bruge deres mikroskoper til at fange vigtige hurtige processer i morgendagens materialer.

"Demokratisering af videnskab var hele motivationen, "Sagde Lau.