Nyt mikroskop skaber nær-realtidsvideoer af processer i nanoskala

Avancerede atomkraftmikroskoper (AFM'er) er designet til at fange billeder af strukturer så små som en brøkdel af en nanometer - en million gange mindre end bredden af ​​et menneskehår. I de seneste år, AFM'er har produceret desktop-værdige nærbilleder af strukturer på størrelse med atomer, fra enkeltstrenge af DNA til individuelle hydrogenbindinger mellem molekyler.

Men at scanne disse billeder er en omhyggelig, tidskrævende proces. AFM'er er derfor mest blevet brugt til at afbilde statiske prøver, da de er for langsomme til at fange aktive, skiftende miljøer.

Nu har ingeniører ved MIT designet et atomkraftmikroskop, der scanner billeder 2, 000 gange hurtigere end eksisterende kommercielle modeller. Med dette nye højhastighedsinstrument, holdet producerede billeder af kemiske processer, der finder sted på nanoskala, med en hastighed, der er tæt på video i realtid.

I en demonstration af instrumentets evner, forskerne scannede en 70 x 70 mikron prøve af calcit, da den først blev nedsænket i deioniseret vand og senere udsat for svovlsyre. Holdet observerede syren tære på calcit, udvidelse af eksisterende nanometer-størrelser i materialet, der hurtigt smeltede sammen og førte til en lag-for-lag fjernelse af calcit langs materialets krystalmønster, over en periode på flere sekunder.

Kamal Youcef-Toumi, en professor i maskinteknik ved MIT, siger, at instrumentets følsomhed og hastighed vil gøre det muligt for forskere at se processer i atomstørrelse udspille sig som "film" i høj opløsning.

"Folk kan se, for eksempel, kondensation, kernedannelse, opløsning, eller aflejring af materiale, og hvordan disse sker i realtid - ting, som folk aldrig har set før, " siger Youcef-Toumi. "Det er fantastisk at se disse detaljer dukke op. Og det vil åbne store muligheder for at udforske hele denne verden, der er på nanoskala."

Gruppens design og billeder, som er baseret på ph.d.-arbejdet af Iman Soltani Bozchalooi, nu postdoc ved Institut for Maskinteknik, er publiceret i tidsskriftet Ultramicroscopy.

Det store billede

Atomkraftmikroskoper scanner typisk prøver ved hjælp af en ultrafin sonde, eller nål, der skimmer langs overfladen af ​​en prøve, spore dens topografi, på samme måde som en blind person læser blindeskrift. Prøver sidder på en bevægelig platform, eller scanner, der flytter prøven lateralt og lodret under sonden. Fordi AFM'er scanner utroligt små strukturer, instrumenterne skal arbejde langsomt, linje for linje, for at undgå pludselige bevægelser, der kan ændre prøven eller sløre billedet. Sådanne konventionelle mikroskoper scanner typisk omkring en til to linjer pr. sekund.

"Hvis prøven er statisk, det er ok at tage otte til 10 minutter at få et billede, " siger Youcef-Toumi. "Men hvis det er noget, der ændrer sig, så forestil dig, hvis du begynder at scanne fra toppen meget langsomt. Når du når bunden, prøven er ændret, og så oplysningerne i billedet er ikke korrekte, da det er blevet strakt over tid."

For at fremskynde scanningsprocessen, videnskabsmænd har prøvet at bygge mindre, mere smidige platforme, der scanner prøver hurtigere, dog over et mindre område. Bozchalooi siger, at sådanne scannere, mens de er hurtige, tillad ikke videnskabsmænd at zoome ud for at se en bredere visning eller studere større funktioner.

"Det er ligesom hvis du landede et sted i USA og ikke har nogen anelse om, hvor du lander, og får at vide, hvor end du lander, du må kun kigge nogle få blokke rundt og op til en begrænset højde, " siger Bozchalooi. "Der er ingen måde, du kan få et større billede."

Scanning synkront

Bozchalooi kom op med et design, der muliggør højhastighedsscanning over både store og små områder. Den vigtigste innovation er centreret om en multiaktiveret scanner og dens kontrol:En prøveplatform indeholder en mindre, hurtigere scanner såvel som en større, langsommere scanner for alle retninger, som arbejder sammen som ét system til at scanne et bredt 3D-område ved høj hastighed.

Andre forsøg på multiaktiverede scannere er blevet forhindret, mest på grund af interaktionerne mellem scannere:Bevægelsen af ​​den ene scanner kan påvirke præcisionen og bevægelsen af ​​den anden. Forskere har også fundet ud af, at det er svært at styre hver scanner separat og få dem til at arbejde med alle andre komponenter i et mikroskop. For at scanne hver ny prøve, Bozchalooi siger, at en videnskabsmand skal foretage flere justeringer og justeringer af flere komponenter i instrumentet.

For at forenkle brugen af ​​det multiaktiverede instrument, Bozchalooi udviklede kontrolalgoritmer, der tager højde for effekten af ​​den ene scanner på den anden.

"Vores controller kan flytte den lille scanner på en måde, så den ikke ophidser den store scanner, fordi vi ved, hvilken slags bevægelse der udløser denne scanner, og omvendt, " siger Bozchalooi. "Til sidst, de arbejder synkront, så fra videnskabsmandens perspektiv, denne scanner ligner en enkelt, høj hastighed, stor rækkevidde scanner, der ikke tilføjer nogen kompleksitet til betjeningen af ​​instrumentet."

Efter at have optimeret andre komponenter på mikroskopet, såsom optikken, instrumentering, og dataindsamlingssystemer, holdet fandt ud af, at instrumentet var i stand til at scanne en prøve af calcit frem og tilbage, uden skader på sonden eller prøven. Mikroskopet scanner en prøve hurtigere end 2, 000 hertz, eller 4, 000 linjer i sekundet—2, 000 gange hurtigere end eksisterende kommercielle AFM'er. Dette svarer til omkring otte til 10 billeder i sekundet. Bozchalooi siger, at instrumentet ikke har nogen begrænsning på billeddannelsesområdet og for en maksimal probehastighed, kan scanne på tværs af hundreder af mikron, samt billedfunktioner, der er flere mikrometer høje.

"Vi vil gå til ægte video, som er mindst 30 billeder i sekundet, " siger Youcef-Toumi. "Forhåbentlig kan vi arbejde på at forbedre instrumentet og kontrollerne, så vi kan lave videohastighedsbilleder, samtidig med at vi bevarer dets store rækkevidde og holder det brugervenligt. Det ville være noget fantastisk at se."