Het begrijpen van de microscopische structuur van een materiaal is essentieel om te begrijpen hoe het functioneert en zijn functionele eigenschappen. Vooruitgang op gebieden als materiaalwetenschap heeft het vermogen om deze functies te bepalen in toenemende mate naar nog hogere resoluties geduwd. Een techniek voor beeldvorming op nanoschaal resolutie, transmissie-elektronenmicroscopie (TEM), is een voorbeeld van veelbelovende technologie op dit gebied. Wetenschappers hebben onlangs een manier gevonden om de kracht van TEM te benutten om de structuur van een materiaal met de hoogst mogelijke resolutie te meten - door de 3D-positie van elk afzonderlijk atoom te bepalen.

Presentatie van hun werk op het OSA Imaging and Applied Optics Congress 25-28 juni, in Orlando, Florida, VS, een team van onderzoekers heeft een techniek gedemonstreerd met behulp van TEM-tomografie om de 3D-posities van sterk verstrooiende atomen te bepalen. Door simulatie, de groep toonde aan dat het mogelijk is om de atomaire potentialen met atomaire resolutie te reconstrueren met alleen beeldintensiteitsmetingen, en dat het mogelijk is om dat te doen op moleculen die erg gevoelig zijn voor elektronenstralen.

"Transmissie-elektronenmicroscopie wordt veel gebruikt in zowel materiaalkunde als biologie, " zei Colin Ophus, Nationaal centrum voor elektronenmicroscopie, Lawrence Berkeley National Lab, Berkeley, Californië, en lid van het onderzoeksteam. "Omdat we de niet-lineaire voortplanting van de elektronenbundel volledig oplossen, onze tomografische reconstructiemethode zal een meer kwantitatieve reconstructie van zwak verstrooiende monsters mogelijk maken, bij hogere of zelfs atomaire resolutie."

Vergelijkbaar met de manier waarop computertomografie (CT)-scans die worden uitgevoerd voor medische beeldvorming in ziekenhuizen worden gebouwd met behulp van een reeks tweedimensionale dwarsdoorsnedebeelden in verschillende stappen, elektronentomografie construeert een driedimensionaal volume door monsters stapsgewijs te roteren, het verzamelen van tweedimensionale afbeeldingen. Terwijl de meeste CT-beeldvorming in ziekenhuizen wordt gedaan met röntgenstralen om kenmerken van grotere dingen zoals botten te bepalen, de elektronenbundels die in TEM worden gebruikt, stellen onderzoekers in staat om met een aanzienlijk hogere resolutie te kijken, tot op atomaire schaal.

"Echter, op atomaire schaal kunnen we de zeer complexe kwantummechanische effecten van het monster op de elektronenstraal niet negeren, " zei Ophus. "Dit betekent in ons werk, we moeten een veel geavanceerder algoritme gebruiken om de atomaire structuur te herstellen dan die gebruikt in een MRI- of CT-scan."

De TEM-opstelling die de groep gebruikte, mat de energie-intensiteit die de sensor van de microscoop raakt, die evenredig is met het aantal elektronen dat de sensor raakt, een getal dat afhangt van hoe de elektronenbundel voor elk experiment is geconfigureerd. Met behulp van de intensiteitsgegevens, het nieuwe algoritme dat door de groep werd ontworpen, naaide de tweedimensionale geprojecteerde beelden in een 3D-volume.

De sprong maken naar drie dimensies met grote gezichtsvelden, echter, kan computers exponentieel meer belasten dan het omgaan met enkele 2D-beelden. Om hier omheen te werken, ze hebben hun algoritme aangepast voor gebruik op grafische verwerkingseenheden (GPU's), die vele malen meer wiskundige bewerkingen parallel kan uitvoeren dan typische computerverwerkingseenheden (CPU's).

"We zijn in staat om binnen een redelijke tijd resultaten te verkrijgen voor realistische monsterafmetingen, " zei David Ren, een lid van het team.

Met over het algemeen zwakkere bindingen tussen hun atomen, biomoleculen kunnen notoir moeilijk te bestuderen zijn met TEM omdat de elektronenstralen die worden gebruikt om een ​​metaallegering te bestuderen, bijvoorbeeld, zou typisch een biomolecuul uit elkaar scheuren. Verlaging van de elektronendosering in een monster, Hoewel, kan beelden maken die zo luidruchtig zijn, andere algoritmen die momenteel in gebruik zijn, kunnen geen 3D-beeld reconstrueren. Dankzij een nauwkeuriger fysiek model, het nieuwe algoritme van het team heeft de mogelijkheid.

Nu ze het reconstructie-algoritme volledig hebben ontwikkeld, het team zei dat ze hopen toe te passen wat ze hebben waargenomen van simulaties op experimentele gegevens. Ze zijn van plan al hun reconstructiecodes als open source beschikbaar te stellen voor de bredere onderzoeksgemeenschap.