Ny form for elektronstrålebilleddannelse kan se elementer, der er usynlige for almindelige metoder

Elektroner kan udvide vores syn på mikroskopiske objekter langt ud over, hvad der er muligt med synligt lys - helt til atomskalaen. En populær metode i elektronmikroskopi til at se på hårde, elastiske materialer i atomdetaljer kaldes STEM, eller scanning af transmissionselektronmikroskopi men den meget fokuserede stråle af elektroner, der bruges i STEM, kan også let ødelægge sarte prøver.

Derfor bruger elektroner til at forestille biologiske eller andre organiske forbindelser, såsom kemiske blandinger, der inkluderer lithium-et letmetal, der er et populært element i næste generations batteriforskning-kræver en meget lav elektrondosis.

Forskere ved Department of Energy's Lawrence Berkeley National Laboratory (Berkeley Lab) har udviklet en ny billeddannelsesteknik, testet på prøver af nanoskala guld og kulstof, der forbedrer i høj grad billeder af lyselementer ved at bruge færre elektroner.

Den nyligt demonstrerede teknik, kaldet MIDI-STEM, til matchende belysning og detektorinterferometri STEM, kombinerer STEM med en optisk enhed kaldet en faseplade, der ændrer den vekslende top-til-trug, bølgelignende egenskaber (kaldet fasen) af elektronstrålen.

Denne faseplade ændrer elektronstrålen på en måde, der gør det muligt at måle subtile ændringer i et materiale, endda afsløre materialer, der ville være usynlige i traditionel STEM -billeddannelse.

En anden elektronbaseret metode, som forskere bruger til at bestemme den detaljerede struktur af sarte, frosne biologiske prøver, kaldes kryo-elektronmikroskopi, eller cryo-EM. Mens single-particle cryo-EM er et kraftfuldt værktøj-blev det navngivet som videnskabstidsskrift Natur Årets metode fra 2015 - det kræver typisk at tage et gennemsnit over mange identiske prøver for at være effektiv. Cryo-EM er generelt ikke nyttig til undersøgelse af prøver med en blanding af tunge elementer (f.eks. de fleste metaltyper) og lette elementer som ilt og kulstof.

"MIDI-STEM-metoden giver håb om at se strukturer med en blanding af tunge og lette elementer, selv når de er samlet tæt sammen, "sagde Colin Ophus, en projektforsker ved Berkeley Labs Molecular Foundry og hovedforfatter af en undersøgelse, udgivet 29. februar i Naturkommunikation , der beskriver denne metode.

Hvis du tager en tung-nanopartikel og tilføjer molekyler for at give den en bestemt funktion, konventionelle teknikker giver ikke let, klar måde at se de områder, hvor nanopartiklen og tilføjede molekyler mødes.

"Hvordan er de justeret? Hvordan er de orienteret?" Spurgte Ophus. "Der er så mange spørgsmål om disse systemer, og fordi der ikke var en måde at se dem på, vi kunne ikke svare dem direkte. "

Selvom traditionel STEM er effektiv til "hårde" prøver, der kan tåle intense elektronstråler, og cryo-EM kan billede biologiske prøver, "Vi kan begge dele på én gang" med MIDI-STEM-teknikken, sagde Peter Ercius, en videnskabsmand fra Berkeley Lab ved Molecular Foundry og medforfatter af undersøgelsen.

Fasepladen i MIDI-STEM-teknikken tillader et direkte mål for fasen af ​​elektroner, der er svagt spredt, når de interagerer med lette elementer i prøven. Disse målinger bruges derefter til at konstruere såkaldte fasekontrastbilleder af elementerne. Uden denne faseinformation, billederne i høj opløsning af disse elementer ville ikke være mulige.

I dette studie, forskerne kombinerede faseplade -teknologi med en af ​​verdens højeste opløsning STEM'er, på Berkeley Labs Molecular Foundry, og en højhastigheds elektrondetektor.

De fremstillede billeder af prøver af krystallinske guld -nanopartikler, som målte flere nanometer på tværs, og den supertynde film af amorft carbon, som partiklerne sad på. De udførte også computersimuleringer, der validerede det, de så i forsøget.

Faseplade -teknologien blev udviklet som en del af et Berkeley Lab Laboratory Directed Research and Development -tilskud i samarbejde med Ben McMorran ved University of Oregon.

The MIDI-STEM technique could prove particularly useful for directly viewing nanoscale objects with a mixture of heavy and light materials, such as some battery and energy-harvesting materials, that are otherwise difficult to view together at atomic resolution.

It also might be useful in revealing new details about important two-dimensional proteins, called S-layer proteins, that could serve as foundations for engineered nanostructures but are challenging to study in atomic detail using other techniques.

I fremtiden, a faster, more sensitive electron detector could allow researchers to study even more delicate samples at improved resolution by exposing them to fewer electrons per image.

"If you can lower the electron dose you can tilt beam-sensitive samples into many orientations and reconstruct the sample in 3-D, like a medical CT scan. There are also data issues that need to be addressed, " Ercius said, as faster detectors will generate huge amounts of data. Another goal is to make the technique more "plug-and-play, " so it is broadly accessible to other scientists.