Open source-software gør det muligt for forskere at visualisere nanoskalastrukturer i realtid

Computerchipdesignere, materialeforskere, biologer og andre videnskabsmænd har nu et hidtil uset niveau af adgang til en verden af ​​nanoskala materialer takket være 3D visualiseringssoftware, der forbinder direkte til et elektronmikroskop, hvilket gør det muligt for forskere at se og manipulere 3D visualiseringer af nanomaterialer i realtid .

Udviklet af et team af ingeniører og softwareudviklere ledet af University of Michigan, er funktionerne inkluderet i en ny betaversion af tomviz, et open source 3D-datavisualiseringsværktøj, der allerede bruges af titusindvis af forskere. Den nye version genopfinder visualiseringsprocessen, hvilket gør det muligt at gå fra mikroskopprøver til 3D-visualiseringer på få minutter i stedet for dage.

Ud over at generere resultater hurtigere, gør de nye funktioner det muligt for forskere at se og manipulere 3D-visualiseringer under et igangværende eksperiment. Det kunne dramatisk fremskynde forskning inden for områder som mikroprocessorer, batterier til elektriske køretøjer, letvægtsmaterialer og mange andre.

"Det har været en langvarig drøm for halvlederindustrien, for eksempel at kunne lave tomografi på en dag, og her har vi skåret det ned til mindre end en time," siger Robert Hovden, adjunkt i materialevidenskab og ingeniør ved U-M og tilsvarende forfatter på papiret, udgivet i Nature Communications . "Du kan begynde at fortolke og lave videnskab, før du overhovedet er færdig med et eksperiment."

Hovden forklarer, at den nye software trækker data direkte fra et elektronmikroskop, efterhånden som den oprettes og viser resultater med det samme, en fundamental ændring fra tidligere versioner af tomviz. Tidligere indsamlede forskere data fra elektronmikroskopet, som tager hundredvis af todimensionelle projektionsbilleder af et nanomateriale fra flere forskellige vinkler. Dernæst tog de projektionerne med tilbage til laboratoriet for at fortolke og forberede dem, før de førte dem til tomviz, hvilket ville tage flere timer at generere en 3D-visualisering af et objekt. Hele processen tog dage til en uge, og et problem med ét trin i processen betød ofte at man startede forfra.

Den nye version af tomviz klarer al fortolkning og bearbejdning på stedet. Forskere får en skyggefuld, men nyttig 3D-gengivelse inden for få minutter, som gradvist forbedres til en detaljeret visualisering.

"Når du arbejder i en usynlig verden som nanomaterialer, ved du aldrig rigtig, hvad du vil finde, før du begynder at se det," sagde Hovden. "Så evnen til at begynde at fortolke og foretage justeringer, mens du stadig er i mikroskopet, gør en enorm forskel i forskningsprocessen."

Selve hastigheden af ​​den nye proces kunne også være nyttig i industrien - halvlederchipproducenter kunne for eksempel bruge tomografi til at køre tests på nye chipdesigns og lede efter fejl i tredimensionelle nanoskalakredsløb, der er alt for små til at se. Tidligere var tomografiprocessen for langsom til at køre de hundredvis af tests, der krævedes i en kommerciel facilitet, men Hovden mener, at tomviz kunne ændre det.

Hovden understreger, at tomviz kan køres på en almindelig bærbar computer i forbrugerkvalitet. Den kan forbindes til nyere eller ældre modeller af elektronmikroskoper. Og fordi det er open source, er selve softwaren tilgængelig for alle.

"Open source-software er et fantastisk værktøj til at styrke videnskaben globalt. Vi gjorde forbindelsen mellem tomviz og mikroskopet agnostisk for mikroskopproducenten," sagde Hovden. "Og fordi softwaren kun ser på dataene fra mikroskopet, er den ligeglad med, om det mikroskop er den nyeste model hos U-M eller en tyve år gammel maskine."

For at udvikle de nye muligheder trak U-M-teamet på sit mangeårige partnerskab med softwareudvikleren Kitware og fik også et team af forskere, der arbejder i krydsfeltet mellem datavidenskab, materialevidenskab og mikroskopi.

I starten af ​​processen arbejdede Hovden sammen med Marcus Hanwell fra Kitware og Brookhaven National Laboratory for at finpudse ideen om en version af tomviz, der ville muliggøre realtidsvisualisering og eksperimentering. Dernæst samarbejdede Hovden og Kitwares udviklere med U-M materialevidenskab og ingeniøruddannet forsker Jonathan Schwartz, mikroskopiforsker Yi Jiang og maskinlæring og materialevidenskabsekspert Huihuo Zheng, begge fra Argonne National Laboratory, for at bygge algoritmer, der hurtigt og præcist kunne dreje elektronmikroskopibilleder ind i 3D-visualiseringer.

Da algoritmerne var færdige, arbejdede Cornell-professor i anvendt og teknisk fysik David Muller og Peter Ericus, en stabsforsker ved Berkeley Labs Molecular Foundry, sammen med Hovden om at designe en brugergrænseflade, der ville understøtte de nye muligheder.

Endelig slog Hovden sig sammen med materialevidenskab og ingeniørprofessor Nicholas Kotov, bachelor-dataforsker Jacob Pietryga, biointerfaceforsker Anastasiia Visheratina og kemiingeniørforsker Prashant Kumar, alle på U-M, for at syntetisere en nanopartikel, der kunne bruges til test i den virkelige verden af de nye kapaciteter, for både at sikre deres nøjagtighed og vise deres kapaciteter. De slog sig ned på en nanopartikel formet som en helix, omkring 100 nanometer bred og 500 nanometer lang. Den nye version af tomviz fungerede som planlagt; inden for få minutter genererede det et billede, der var skyggefuldt, men detaljeret nok til, at forskerne kunne se nøgledetaljer som den måde, nanopartiklerne vrider sig på, kendt som chiralitet. Cirka 30 minutter senere forvandlede skyggerne sig til en detaljeret, tredimensionel visualisering.

Kildekoden til den nye betaversion af tomviz er gratis tilgængelig til download på GitHub. Hovden mener, at det vil åbne nye muligheder for områder ud over materialerelateret forskning; områder som biologi er også klar til at drage fordel af adgang til elektrontomografi i realtid. Han håber også, at projektets "software som videnskab"-tilgang vil anspore til ny innovation på tværs af områderne videnskab og softwareudvikling.

"Vi har virkelig en tværfaglig tilgang til forskning i skæringspunkterne mellem datalogi, materialevidenskab, fysik, kemi," sagde Hovden. "Én ting er at skabe virkelig fede algoritmer, som kun du og dine kandidatstuderende ved, hvordan de skal bruge. Det er en anden ting, hvis du kan sætte laboratorier over hele verden i stand til at udføre disse avancerede ting."

Kitware-samarbejdspartnere på projektet var Chris Harris, Brainna Major, Patrick Avery, Utkarsh Ayachit, Berk Geveci, Alessandro Genova og Hanwell. Kotov er også Irving Langmuir Distinguished University Professor of Chemical Sciences and Engineering, Joseph B. og Florence V. Cejka Professor of Engineering, og professor i kemiteknik og makromolekylær videnskab og teknik.

"Jeg er spændt på alle de nye videnskabelige opdagelser og 3D-visualiseringer, der vil komme ud af materialevidenskaben og mikroskopi-fællesskabet med vores nye real-time tomografiramme," sagde Schwartz. + Udforsk yderligere

Open source-software låser op for 3D-visning af nanomaterialer