In de afgelopen twee decennia, wetenschappers hebben ontdekt dat de optische microscoop kan worden gebruikt om te detecteren, volg en beeld objecten af ​​die veel kleiner zijn dan hun traditionele limiet - ongeveer de helft van de golflengte van zichtbaar licht, of een paar honderd nanometer.

Dat baanbrekende onderzoek, die in 2014 de Nobelprijs voor Scheikunde won, heeft onderzoekers in staat gesteld om eiwitten in bevruchte eieren te volgen, visualiseren hoe moleculen elektrische verbindingen vormen tussen zenuwcellen in de hersenen, en bestudeer de beweging op nanoschaal van miniatuurmotoren.

Nutsvoorzieningen, onderzoeksontwikkelingen bij het National Institute of Standards and Technology (NIST) stellen de microscopen in staat om deze details op nanometerschaal met een nieuw niveau van nauwkeurigheid te meten.

"We plaatsen de optische microscoop onder een microscoop om een ​​nauwkeurigheid te bereiken die dichtbij de atomaire schaal ligt, " zei NIST's Samuel Stavis, die als projectleider voor deze inspanningen fungeerde.

Omdat optische microscopen traditioneel niet worden gebruikt om de nanometerschaal te bestuderen, ze missen meestal de kalibratie - vergelijking met een standaard om te controleren of een resultaat correct is - die nodig is om informatie te verkrijgen die nauwkeurig is op die schaal. Een microscoop kan nauwkeurig zijn, consistent dezelfde positie aanduidend voor een enkel molecuul of nanodeeltje. Nog, tegelijkertijd, het kan zeer onnauwkeurig zijn - de locatie van het object dat door de microscoop wordt geïdentificeerd tot op een miljardste van een meter kan, in feite, een miljoenste van een meter afwijken door onverklaarde fouten. "Precisie zonder nauwkeurigheid kan erg misleidend zijn, " zei Jon Geist, een NIST-co-auteur van de studie.

Om het probleem aan te pakken, NIST heeft een nieuw kalibratieproces ontwikkeld dat deze beeldfouten nauwkeurig onderzoekt en corrigeert. Het proces maakt gebruik van referentiematerialen - objecten met kenmerken die algemeen bekend en stabiel zijn - die het potentieel hebben voor massaproductie en wijdverbreide distributie naar individuele laboratoria.

Dit is belangrijk omdat optische microscopen veelvoorkomende laboratoriuminstrumenten zijn die gemakkelijk verschillende monsters kunnen vergroten, variërend van delicate biologische exemplaren tot elektrische en mechanische apparaten. Ook, optische microscopen worden steeds capabeler en zuiniger omdat ze wetenschappelijke versies van de lichten en camera's in smartphones opnemen.

Het NIST-team vertrouwde op fabricageprocessen op nanometerschaal om het referentiemateriaal te ontwikkelen. De onderzoekers gebruikten elektronenstralen en ionenfrezen om een ​​reeks gaatjes te vormen door een dunne laag platina op een glasplaatje. Het proces stelde het team in staat om de openingen 5, 000 nanometer uit elkaar, met een nauwkeurigheid van ongeveer 1 nanometer. Op deze manier, de onderzoekers bouwden een mate van nauwkeurigheid in de diafragmaposities.

Door licht door de reeks openingen te laten schijnen, ontstaat een reeks punten voor beeldvorming. Maar omdat alle microscooplenzen onvolkomenheden hebben, er treden onvermijdelijk fouten op tijdens beeldvorming die de schijnbare posities van de punten veranderen, waardoor de afstand tussen de openingen groter of kleiner lijkt te zijn dan de werkelijke afstand die door het team is ontworpen. Kennis van de werkelijke afstand maakt correctie van de beeldvormingsfouten en kalibratie van de microscoop mogelijk voor positiemetingen met hoge nauwkeurigheid over een breed gezichtsveld.

Zelfs een kleine fout kan tot een groot probleem leiden. Overwegen, bijvoorbeeld, een microscoop met een werkelijke vergroting van 103 maal de verwachte vergroting, zoals gespecificeerd door de fabrikant, is 100 keer. De resulterende fout van 3 procent telt op over grote afstanden over een microscoopbeeld. Vanwege lensonvolkomenheden, er doet zich ook een subtieler probleem voor:de vergroting van de microscoop verandert over het beeld, beeldvervorming veroorzaken. Om dit probleem op te lossen, het NIST-team ontwierp diafragma-arrays en kalibratieprocessen die over grote gezichtsvelden werkten.

De diafragma-arrays, waarmee individuele onderzoekers kalibraties in hun eigen laboratoria zouden kunnen uitvoeren, kan verbeteren met een factor 10, 000 het vermogen van optische microscopen om de positie van afzonderlijke moleculen en nanodeeltjes nauwkeurig te lokaliseren.

Stavis en zijn collega's, waaronder eerste auteur Craig Copeland van NIST en het Maryland NanoCenter aan de Universiteit van Maryland, rapporteerden hun bevindingen in een recent gepost artikel in Licht:wetenschap en toepassingen .

"We hebben een ondergewaardeerd probleem geïdentificeerd en opgelost, ' zei Copeland.

Nadat ze hun optische microscoop hebben gekalibreerd met behulp van de arrays, het team keerde het proces om, met behulp van hun microscoop om onvolkomenheden in de prototype-arrays van het nanofabricageproces te identificeren. "We hebben de grenzen van nanofabricage getest om de apertuurafstand te regelen, " merkte co-auteur Rob Ilic op, manager van NIST's NanoFab. Het gemak en de snelheid van optische microscopie zou de kwaliteitscontrole van diafragma-arrays in een productieproces kunnen vergemakkelijken.

Eindelijk, het team maakte gebruik van de inherente stabiliteit van de apertuurarrays om te evalueren of fluorescerende nanodeeltjes, vaak gebruikt als vaste referentiepunten in optische microscopie, daadwerkelijk vast bleven zitten aan een bepaald punt of als ze zich verplaatsten. De onderzoekers ontdekten dat terwijl onbedoelde bewegingen van hun optische microscoop het zicht op de nanodeeltjes wazig maakten, het gebruik van de apertuurarray toonde aan dat de nanodeeltjes niet echt op atomaire schaal bewogen.

Dit verhaal is opnieuw gepubliceerd met dank aan NIST. Lees hier het originele verhaal.