At blive kold:Fremtiden for elektronmikroskopi

Forskere bruger elektronmikroskopi til at producere billeder i høj opløsning på atomare skala af alt fra sammensatte nanomaterialer til enkelte proteiner. Teknologien giver uvurderlig information om teksturen, kemi, og strukturen af ​​disse materialer. Forskning i de sidste par årtier har fokuseret på at opnå højere opløsninger:at kunne afbilde materialer på gradvist finere niveauer med mere følsomhed og kontrast. Men hvad bringer fremtiden for elektronmikroskopi?

Andrew Minor er facilitetsdirektør for National Center for Electron Microscopy i Berkeley Labs Molecular Foundry. Minor er også medlem af Materials Sciences Division, og professor i materialevidenskab og teknik ved UC Berkeley og har medforfatter til over 190 publikationer og modtaget adskillige priser og hæder for sit arbejde. Mindre forskningsgruppe fokuserer på nye metoder ved hjælp af elektronmikroskopi til at studere nanoskala struktur og fænomener i materialer.

Sp. Handler fremtiden for elektronmikroskopi om at opnå endnu større opløsning eller at forbedre en anden facet af teknologien?

A. Historisk set, opløsning var den ting, folk var mest interesserede i at skubbe, og det skete i løbet af de sidste 30 til 40 år med stor effekt. Elektronmikroskoper kan nu nå en halv ångstrøm opløsning. Det er halvdelen af ​​bredden af ​​et brintatom, og et hydrogenatom er det mindste atom, der er. Der er ikke meget at se på ud over det. Så faktisk rumlig opløsning er ikke længere en stor driver for de fleste applikationer.

Imidlertid, den store advarsel er, at denne fantastiske opløsning kun er tilgængelig i nærheden af ​​stuetemperatur. Meget af det, vi er interesseret i at studere, er ikke ved stuetemperatur, og der er store problemer med at nå den slags opløsninger, hvis man går til meget lave temperaturer eller meget høje temperaturer. Min personlige følelse er, at de mest virkningsfulde teknologiske forbedringer vil komme fra at udvide den opløsning, som vi kender og elsker ved stuetemperatur, til andre miljøer.

Q. Hvad ville højopløsningselektronmikroskopi ved lavere temperaturer muliggøre?

A. En ting, det ville muliggøre, er at få bedre billeder af materialer, der er følsomme over for elektronstrålen. Der er denne iboende afvejning mellem det faktum, at elektroner interagerer meget stærkt med stof, men det betyder også, at de meget let skader sagen. Et metal eller en keramik kan modstå mange elektroner, det vi kalder en høj dosis elektroner i et eksperiment. Du kan få meget skarpe billeder, fordi du kan sende en masse elektroner igennem og virkelig booste dit signal/støjforhold. I det biologiske samfund, eller endda med et blødt materiale som en polymer, elektronerne selv kan og gør meget hurtigt skade på strukturerne. Dette begrænser din evne til at afbilde materialet i en uberørt eller repræsentativ tilstand.

En måde feltet har løst dette på er ved at udføre lavtemperaturmikroskopi, såkaldt cryoEM, hvor du begrænser skaden på materialet lidt, fordi tingene er mere frosset på plads, og skaden ikke udvikler sig så hurtigt. Men når du går til lave temperaturer, fordi hele resten af ​​mikroskopsøjlen er varm sammenlignet med prøvens lave temperatur, din prøve bevæger sig og ændrer sin position. Og når du er i høj forstørrelse, bliver billederne slørede. Så det er derfor jeg personligt tænker, og her på Berkeley Lab tænker vi, løsningen på dette iboende problem er at gøre hele mikroskopet koldt. Et stort nyt koncept, som vi fører her, er at udvikle et meget lavtemperaturmikroskop, der kunne gå til en grad Kelvin. En masse interessante materialer findes kun ved de lave temperaturer.

Q. Hvor langt er du med at udvikle et koldt mikroskop, og hvad kan det tillade forskere at gøre?

A. Vi startede designet med støtte fra Laboratory Directed Research and Development Program og har støtte fra Department of Energy gennem Molecular Foundry til at bygge en prototype af superledende magnettestsystem for at bekræfte nogle aspekter af vores design. Vi holdt også et samfundsmøde i januar for at se på de forskellige videnskabelige drivere og tænke over, hvad der kunne gøres, hvis man havde denne smukke opløsning ved lave temperaturer for nye materialer. Hele aspekter af kondenseret fysik og solid-state fysik eksisterer virkelig kun ved lave temperaturer. Den mest åbenlyse er superledning:de fleste mennesker ved, at superledere kun findes ved lave temperaturer. Du varmer dem for meget op, og den egenskab forsvinder. Mange egenskaber er sådan i det, der kaldes stærkt korrelerede systemer, eller kvantematerialer for kort. Vi har ikke været i stand til med atomopløsning at undersøge mange af disse interessante aspekter af kvantematerialer på grund af de iboende problemer med drift og stabilitet i mikroskoper, der er tilgængelige nu.

En anden mulighed kan være at designe nye materialer eller forbedre eksisterende materialer. I materialevidenskab er vi interesserede i sammenhængen mellem struktur og egenskaber. At være i stand til at undersøge det ved den grundlæggende opløsning af materialet, som atomer, er en kritisk del af det, der skal bruges til at udvikle nye materialer.

Q. Hvad kan der være andre muligheder?

A. Eksotiske materialer på fjerne planeter eksisterer ved kolde temperaturer. Hvad kan vi lære om at studere materialer, der kun dannes ved lave temperaturer? Lavtemperaturmikroskopet ville også give et højvakuummiljø, which would be ideal for looking closely at the surfaces of materials such as catalytic particles. Other things that would be of interest include the basic science of looking at structures when they are slow and frozen. A lot of processes are very fast at the atomic scale, like ions going back and forth in a battery. It's so fast that usually we can't capture it. Going cold would be one way to try to slow down processes to examine materials dynamically that are too fast to capture at room temperature.

I'm a materials scientist, so I gave you a lot of materials applications. But more broadly, the field of electron microscopy is impacting other fields, such as the biological community, the earth sciences community, microelectronics, and drug discovery. Going to low temperatures is of interest in these fields because you'll get a better picture and better measurements and enable atomic resolution imaging in an environment that is important for many advanced technologies, like quantum computing.