Onderzoekers gebruiken elektronenmicroscopie om afbeeldingen met een hoge resolutie te produceren op atomaire schaal van alles, van composiet nanomaterialen tot afzonderlijke eiwitten. De technologie biedt onschatbare informatie over de textuur, scheikunde, en structuur van deze materialen. Onderzoek van de afgelopen decennia heeft zich gericht op het bereiken van hogere resoluties:het in staat zijn om materialen op steeds fijnere niveaus af te beelden met meer gevoeligheid en contrast. Maar wat brengt de toekomst voor elektronenmicroscopie?

Andrew Minor is de faciliteitsdirecteur van het National Center for Electron Microscopy in de Molecular Foundry van Berkeley Lab. Minor is tevens lid van de afdeling Materials Sciences, en een professor in materiaalkunde en techniek aan UC Berkeley en is co-auteur van meer dan 190 publicaties en ontving talloze onderscheidingen en onderscheidingen voor zijn werk. De onderzoeksgroep van Minor richt zich op nieuwe methoden om met behulp van elektronenmicroscopie de structuur en fenomenen op nanoschaal in materialen te bestuderen.

V. Gaat de toekomst van elektronenmicroscopie over het bereiken van een nog grotere resolutie of het verbeteren van een ander facet van de technologie?

A. Historisch gezien, resolutie was waar mensen het meest in geïnteresseerd waren, en dat gebeurde in de afgelopen 30 tot 40 jaar met groot effect. Elektronenmicroscopen kunnen nu een resolutie van een halve angstrom bereiken. Dat is de helft van de breedte van een waterstofatoom, en een waterstofatoom is het kleinste atoom dat er is. Verder is er niet veel om naar te kijken. Dus de werkelijke ruimtelijke resolutie is voor de meeste toepassingen geen enorme driver meer.

Echter, het grote voorbehoud is dat deze geweldige resolutie echt alleen beschikbaar is in de buurt van kamertemperatuur. Veel van wat we willen bestuderen, is niet op kamertemperatuur, en er zijn grote problemen bij het bereiken van dat soort resoluties als je naar zeer lage temperaturen of zeer hoge temperaturen gaat. Mijn persoonlijke gevoel is dat de meest impactvolle technologische verbeteringen zullen komen van het uitbreiden van de resolutie die we kennen en liefhebben bij kamertemperatuur naar andere omgevingen.

V. Wat zou elektronenmicroscopie met hoge resolutie bij lagere temperaturen mogelijk maken?

A. Een ding dat het mogelijk zou maken, is om betere beelden te krijgen van materialen die gevoelig zijn voor de elektronenstraal. Er is een inherente afweging tussen het feit dat elektronen heel sterk interageren met materie, maar dat betekent ook dat ze de zaak heel gemakkelijk beschadigen. Een metaal of keramiek kan veel elektronen weerstaan, wat we in een experiment een hoge dosis elektronen noemen. U kunt zeer scherpe beelden krijgen omdat u veel elektronen door kunt sturen en uw signaal-ruisverhouding echt kunt verbeteren. In de biologische gemeenschap, of zelfs met een zacht materiaal zoals een polymeer, de elektronen zelf kunnen en zullen zeer snel schade aan de structuren veroorzaken. Dit beperkt uw vermogen om het materiaal in een ongerepte of representatieve staat af te beelden.

Een manier waarop het veld dit heeft aangepakt, is door microscopie bij lage temperatuur uit te voeren, zogenaamde cryoEM, waar je de schade aan het materiaal enigszins beperkt omdat de dingen meer op hun plaats zijn bevroren en de schade niet zo snel evolueert. Maar als je naar lage temperaturen gaat, omdat de hele rest van de microscoopkolom warm is in vergelijking met de lage temperatuur van het monster, uw monster beweegt en verandert van positie. En als je met een hoge vergroting werkt, worden de beelden wazig. Dus daarom denk ik persoonlijk, en hier bij Berkeley Lab denken we, de oplossing voor dit inherente probleem is om de hele microscoop koud te maken. Een groot nieuw concept dat we hier leiden, is het ontwikkelen van een zeer lage-temperatuurmicroscoop die tot één graad Kelvin kan gaan. Veel interessante materialen bestaan ​​alleen bij die lage temperaturen.

V. Hoe ver ben je met het ontwikkelen van een koude microscoop en wat kunnen onderzoekers ermee doen?

A. We zijn begonnen met het ontwerp met ondersteuning van het laboratoriumgestuurde onderzoeks- en ontwikkelingsprogramma en hebben steun van het ministerie van Energie via de Molecular Foundry om een ​​prototype van een supergeleidend magneettestsysteem te bouwen om enkele aspecten van ons ontwerp te bevestigen. We hebben in januari ook een gemeenschapsbijeenkomst gehouden om naar de verschillende wetenschappelijke drijfveren te kijken en na te denken over wat er zou kunnen worden gedaan als je deze prachtige resolutie bij lage temperaturen had voor nieuwe materialen. Hele aspecten van de fysica van de gecondenseerde materie en de fysica van de vaste stof bestaan ​​eigenlijk alleen bij lage temperaturen. De meest voor de hand liggende is supergeleiding:de meeste mensen weten dat supergeleiders alleen bij lage temperaturen bestaan. Je warmt ze te veel op en die eigenschap verdwijnt. Veel eigenschappen zijn zo in zogenaamde sterk gecorreleerde systemen, of kortweg kwantummaterialen. We hebben veel van deze interessante aspecten van kwantummaterialen niet met atomaire resolutie kunnen onderzoeken vanwege de inherente problemen van drift en stabiliteit in microscopen die nu beschikbaar zijn.

Een andere mogelijkheid is het ontwerpen van nieuwe materialen of het verbeteren van bestaande materialen. In de materiaalkunde zijn we geïnteresseerd in de correlatie tussen structuur en eigenschappen. Dat kunnen onderzoeken met de fundamentele resolutie van het materiaal, zoals atomen, is een cruciaal onderdeel van de ontwikkeling van nieuwe materialen.

V. Wat zouden andere mogelijkheden kunnen zijn?

A. Exotische materialen op verre planeten bestaan ​​bij koude temperaturen. Wat kunnen we leren over het bestuderen van materialen die zich alleen bij lage temperaturen vormen? The low temperature microscope would also provide a high-vacuum environment, 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.