Вот почему использование электронов для изображения биологических или других органических соединений, таких как химические смеси, содержащие литий — легкий металл, который является популярным элементом в исследованиях аккумуляторов следующего поколения, — требует очень низкой дозы электронов.Ученые из Национальной лаборатории Лоуренса Беркли Министерства энергетики США разработали новую технику визуализации, протестированную на образцах наноразмерного золота и углерода, которая значительно улучшает изображения легких элементов с использованием меньшего количества электронов.Недавно продемонстрированный метод, получивший название MIDI-STEM, для согласованного освещения и интерферометрии детектора STEM, объединяет STEM с оптическим устройством, называемым фазовой пластиной, которое изменяет чередующиеся волновые свойства (называемые фазой) электрона от пика до минимума. луч.
Эта фазовая пластина изменяет электронный луч таким образом, что позволяет измерять тонкие изменения в материале, даже обнаруживая материалы, которые были бы невидимы при традиционной визуализации STEM.Другой электронный метод, который исследователи используют для определения детальной структуры хрупких замороженных биологических образцов, называется криоэлектронной микроскопией или крио-ЭМ. Хотя криоЭМ одиночных частиц является мощным инструментом (он был назван научным журналом Nature’s 2015 Method of the Year), для его эффективности обычно требуется взятие среднего значения по множеству идентичных образцов.
Крио-ЭМ обычно не используется для исследования образцов, содержащих смесь тяжелых элементов (например, большинства металлов) и легких элементов, таких как кислород и углерод.«Метод MIDI-STEM дает надежду на то, что можно увидеть структуры со смесью тяжелых и легких элементов, даже когда они тесно сгруппированы вместе», — сказал Колин Офус, научный сотрудник Molecular Foundry лаборатории Беркли и ведущий автор исследования, опубликованного в феврале.
29 в Nature Communications, где подробно описан этот метод.Если вы возьмете наночастицу тяжелого элемента и добавите молекулы, чтобы придать ей определенную функцию, обычные методы не предоставят простой и четкий способ увидеть области, где встречаются наночастица и добавленные молекулы.«Как они выровнены?
Как они ориентированы?» — спросил Офус. «Есть так много вопросов об этих системах, и поскольку не было возможности увидеть их, мы не могли напрямую ответить на них».В то время как традиционный STEM эффективен для «твердых» образцов, которые могут выдерживать интенсивные электронные лучи, а крио-EM может отображать биологические образцы, «мы можем делать и то, и другое одновременно» с техникой MIDI-STEM, — сказал Питер Эрсиус из лаборатории Беркли. научный сотрудник Molecular Foundry и соавтор исследования.
Фазовая пластина в методе MIDI-STEM позволяет напрямую измерить фазу электронов, которые слабо рассеиваются при взаимодействии с легкими элементами в образце. Эти измерения затем используются для построения так называемых фазово-контрастных изображений элементов. Без этой информации о фазах изображения этих элементов с высоким разрешением были бы невозможны.В этом исследовании исследователи объединили технологию фазовых пластин с одним из самых высоких в мире STEM-микроскопов в Молекулярной литейной лаборатории Беркли и высокоскоростным детектором электронов.
Они создали изображения образцов кристаллических наночастиц золота, размер которых составлял несколько нанометров, и сверхтонкой пленки аморфного углерода, на которой находились частицы. Они также выполнили компьютерное моделирование, которое подтвердило то, что они видели в эксперименте.
Технология фазовых пластин была разработана в рамках гранта на исследования и разработки лаборатории Беркли в сотрудничестве с Беном МакМорраном из Университета Орегона.Техника MIDI-STEM может оказаться особенно полезной для прямого просмотра наноразмерных объектов из смеси тяжелых и легких материалов, таких как некоторые батареи и материалы, собирающие энергию, которые иначе трудно рассматривать вместе с атомным разрешением.
Это также может быть полезно для раскрытия новых деталей о важных двумерных белках, называемых белками S-слоя, которые могут служить основой для инженерных наноструктур, но их сложно изучать в атомных деталях с помощью других методов.В будущем более быстрый и более чувствительный детектор электронов позволит исследователям изучать даже более тонкие образцы с улучшенным разрешением, подвергая их воздействию меньшего количества электронов на изображение.«Если вы можете снизить дозу электронов, вы можете наклонять чувствительные к лучу образцы во многих направлениях и реконструировать образец в 3-D, как медицинская компьютерная томография. Есть также проблемы с данными, которые необходимо решить», — сказал Эрциус, как быстрее детекторы будут генерировать огромные объемы данных.
Другая цель — сделать эту технику более простой и доступной для других ученых.Молекулярный литейный цех Berkeley Lab является пользовательским учреждением Управления науки Министерства энергетики США.
В исследовании также приняли участие исследователи из Университета Орегона, Gatan Inc. и Ульмского университета в Германии.