Onderzoekers van het natuurkundig laboratorium van de Universiteit van Oregon van Ben McMorran hadden een geweldig 2018, het publiceren van vier artikelen over hun inspanningen om scanning transmissie-elektronenmicroscopen nieuw leven in te blazen voor medisch en materiaalonderzoek.

Ze hebben een techniek ontwikkeld, STEM-holografie, die elektronen langs twee afzonderlijke paden stuurt, een gaat door een monster en een niet. Hierdoor kunnen ze de vertraging tussen beide meten om een ​​afbeelding met een hoge resolutie te maken. Het biedt een verbeterde atomaire resolutie van de buitenste structuur van een monster en onthult voorheen onzichtbare interfaces tussen een monster en het onderliggende materiaal.

De onderzoekers hebben hun techniek getest op gouden nanodeeltjes, koolstofsubstraten en elektrische velden. Eventueel, het kan worden aangepast voor gebruik op levende biologische monsters, zei McMorran, een universitair hoofddocent bij de afdeling Natuurkunde.

"Deze techniek stelt ons in staat om materialen met een hoge resolutie te bestuderen, meet ze nauwkeurig en begrijp ze beter dan voorheen mogelijk was, ", zei promovendus Fehmi Yasin. "Kunnen we biomoleculaire materialen met atomaire resolutie afbeelden zonder ze te vernietigen? Nog niet, maar onze techniek is een goede eerste stap."

Onderzoekers in Duitsland, Japan en de Verenigde Staten theoretiseerden 30 jaar geleden dat een dergelijke benadering mogelijk was, maar met de beschikbare technologie konden ze het niet demonstreren als een praktische beeldvormingstechniek, zei Yasin. UO-onderzoekers hebben nu aangetoond - met behulp van microscopen aan de UO, Lawrence Berkeley National Laboratory en Hitachi Ltd. Research and Development Group in Japan - dat STEM-holografie werkt.

De techniek bouwt voort op elektronenholografie, een andere recente vooruitgang die state-of-the-art vereist, goedkope elektronenkanonnen, speciaal gebouwde openingen en zeer stabiele voedingen om een ​​resolutie op atomaire schaal te leveren.

"Met behulp van flexibele STEM-holografie, een uitloper die we hebben ontwikkeld in samenwerking met Toshiaki Tanigaki bij Hitachi, we kunnen nu met meer precisie de interessante geometrieën van materialen vastleggen, " zei Yasin, "Eerder, het gezichtsveld van STEM-holografie was beperkt tot misschien 30 nanometer. Het gebruik van flexibele STEM-holografie vergroot het gezichtsveld."

De eerste transmissie-elektronenmicroscoop werd in Duitsland gemaakt door Max Knoll, een elektrotechnisch ingenieur, en Ernst Ruska, een natuurkundige, in 1931. De eerste commerciële versie verscheen in 1939. Ruska won in 1986 de Nobelprijs voor natuurkunde voor zijn inspanningen.

De miljoenen dollars kostende microscopen maken microfoto's terwijl een elektronenstraal door een dun plakje van een monster gaat. Traditioneel in scanning transmissie-elektronenmicroscopen, magnetische velden worden gebruikt om de bundel te focussen op een atoomgrote plek van een monster. Die bundel wordt dan over een monster gescand, maar er zijn grote aantallen elektronen nodig om iets te zien, omdat de meeste door een monster gaan zonder te worden afgebogen.

De UO-benadering plaatst een diffractierooster boven een monster, het creëren van extra stralen die het monster raken en een hologram eronder. Dat vangt signalen op van elektronen die niet verstrooid zijn en details over hoe anderen worden vertraagd als ze door een monster gaan.

De recente reeks artikelen bevestigde dat STEM-holografie overeenkomt met computersimulaties.

"We plaatsen de elektronenmicroscoop in omstandigheden waarin we het signaal kunnen isoleren waar we om geven, en we keken naar verschillende soorten monsters, " zei voormalig UO-promovendus Tyler Harvey, nu een postdoctoraal onderzoeker aan de Universiteit van Göttingen. "We hebben ook afbeeldingen van één monster gesimuleerd en ontdekten dat de simulaties heel goed overeenkwamen met het experiment."

In een decemberkrant onder leiding van Harvey in het tijdschrift Fysieke beoordeling toegepast , het UO-team heeft de techniek gedetailleerd beschreven en uitgelegd hoe deze theoretisch werkt.

In een aparte krant in Nano-letters , een team onder leiding van Yasin toonde aan dat de techniek afbeeldingen met een subnanometerresolutie van op koolstof gebaseerde materialen oplevert. Kleur staat voor dikte, wat een derde dimensie toevoegt en de metingen verbetert.

Beelden waren zo duidelijk als verwacht met een laag aantal elektronen, merkten de onderzoekers op.

"We denken dat STEM-holografie een geweldig hulpmiddel zal zijn voor materiaalwetenschap en biologie, Harvey zei. "De techniek blinkt echt uit in het afbeelden van elektrische en magnetische velden, en het kan dat doen terwijl het doet waar de meeste materiaalwetenschappers het meest om geven:zien waar de atomen zijn."

De mogelijkheid om de techniek op biologische monsters te gebruiken is nog ver weg, maar als je dit veilig kunt doen, kan dat enorme voordelen opleveren, zei Yasin.

"We hebben nu veel medicijnen die de samenstelling van kanker aanvallen, " zei Yasin. "Maar die samenstelling is vergelijkbaar in ons hele lichaam, dus vallen deze kankermedicijnen zowel zieke cellen als de andere cellen van het lichaam tegelijkertijd aan. Als we de positie van elk atoom in de kankercel wisten, we zouden ons veel beter kunnen ontwikkelen, effectievere medicijnen, zonder de dodelijke bijwerkingen."

McMorran schreef voor het eerst over het idee om een ​​hologrambenadering te gebruiken in een artikel van januari 2011 in de Science, toen hij bij het National Institute of Standards and Technology in Maryland was.

In zijn UO-lab ondersteund door de National Science Foundation en het Amerikaanse ministerie van Energie, onderzoekers hebben vier gebieden nagestreefd, die allemaal proberen om delen van materialen in beeld te brengen die moeilijk te detecteren waren.

De vier gebieden richten zich op transparante materialen, inclusief biomaterialen of andere organische moleculen; elektrische velden, zoals de lading en de verdeling ervan in enkele transistors; magnetische velden, zoals materialen die nu op harde schijven staan ​​en mogelijk bruikbaar zijn in spintronica; en elektronen en qubits die naar verwachting in kwantumcomputers zullen worden gebruikt.

"Elke vier van deze dingen werken misschien niet, " zei Mc Morran, die ook lid is van het Materials Science Institute en het Oregon Center for Optical, Moleculaire en kwantumwetenschap. "Misschien is er een betere techniek die voor sommigen de beste is. We ontwikkelen misschien een handig hulpmiddel om alle vier de mogelijkheden te bereiken of misschien slechts één ervan. Op dit moment, alle pijlen wijzen naar alle vier."