Onderzoekers van het National Institute of Standards and Technology (NIST) en hun medewerkers hebben een manier ontwikkeld om de transmissie-elektronenmicroscoop, een al lang bestaand wetenschappelijk werkpaard voor het maken van scherpe microscopische beelden, achteraf aan te passen, zodat deze ook hoogwaardige films van super -snelle processen op atomaire en moleculaire schaal. Compatibel met oude en nieuwe elektronenmicroscopen, de retrofit belooft nieuwe inzichten in alles mogelijk te maken, van microscopische machines tot computerchips van de volgende generatie en biologisch weefsel door deze mogelijkheid om films te maken op grotere schaal beschikbaar te maken voor laboratoria overal.

"We willen dingen in de materiaalkunde kunnen bekijken die heel snel gebeuren, " zei NIST-wetenschapper June Lau. Ze rapporteert de eerste proof-of-concept-operatie van dit retrofit-ontwerp met haar collega's in het tijdschrift Beoordeling van wetenschappelijke instrumenten . Het team ontwierp de retrofit als een kosteneffectieve aanvulling op bestaande instrumenten. "Het zal naar verwachting een fractie zijn van de kosten van een nieuwe elektronenmicroscoop, " ze zei.

Een bijna 100 jaar oude uitvinding, de elektronenmicroscoop blijft een essentieel instrument in veel wetenschappelijke laboratoria. Een populaire versie staat bekend als de transmissie-elektronenmicroscoop (TEM), die elektronen door een doelmonster afvuurt om een ​​beeld te produceren. Moderne versies van de microscoop kunnen objecten tot 50 miljoen keer vergroten. Elektronenmicroscopen hebben geholpen om de structuur van virussen te bepalen, test de werking van computercircuits, en onthullen de effectiviteit van nieuwe medicijnen.

"Elektronenmicroscopen kunnen heel kleine dingen op atomaire schaal bekijken, " zei Lau. "Ze zijn geweldig. Maar historisch gezien ze kijken naar dingen die in de tijd zijn vastgelegd. Ze zijn niet goed in het bekijken van bewegende doelen, " ze zei.

In de afgelopen 15 jaar, laserondersteunde elektronenmicroscopen maakten video's mogelijk, maar dergelijke systemen zijn complex en duur geweest. Hoewel deze opstellingen gebeurtenissen kunnen vastleggen die duren van nanoseconden (miljardste van een seconde) tot femtoseconden (quadrillionste van een seconde), een laboratorium moet vaak een nieuwere microscoop kopen om deze mogelijkheid te accommoderen, evenals een gespecialiseerde laser, met een totale investering die in de miljoenen dollars kan lopen. Een laboratorium heeft ook interne laserfysica-expertise nodig om een ​​dergelijk systeem te helpen opzetten en bedienen.

"Eerlijk gezegd, niet iedereen heeft die capaciteit, ' zei Lau.

In tegenstelling tot, de retrofit stelt TEM's van elke leeftijd in staat om films van hoge kwaliteit te maken op de schaal van picoseconden (biljoensten van een seconde) door een relatief eenvoudige "beam chopper" te gebruiken. In principe, de beam chopper kan worden gebruikt in de TEM van elke fabrikant. Om het te installeren, NIST-onderzoekers openen de microscoopkolom direct onder de elektronenbron, plaats de beam chopper en sluit de microscoop weer. Lau en haar collega's hebben met succes drie TEM's met verschillende capaciteiten en vintage achteraf ingebouwd.

Als een stroboscoop, deze bundelchopper geeft nauwkeurig getimede pulsen van elektronen af ​​die frames van belangrijke zich herhalende of cyclische processen kunnen vastleggen.

"Stel je een reuzenrad voor, die op een cyclische en herhaalbare manier beweegt, " zei Lau. "Als we het opnemen met een gaatjescamera, het zal er wazig uitzien. Maar we willen individuele auto's zien. Ik kan een sluiter voor de pinhole-camera plaatsen, zodat de sluitertijd overeenkomt met de beweging van het wiel. We kunnen de sluiter timen om te openen wanneer een aangewezen auto naar de top gaat. Op deze manier kan ik een stapel afbeeldingen maken die elke auto bovenaan het reuzenrad laat zien, " ze zei.

Zoals het lichtluik, de bundelchopper onderbreekt een continue elektronenbundel. Maar in tegenstelling tot de sluiter, die een opening heeft die open en dicht gaat, deze bundelopening blijft de hele tijd open, het elimineren van de noodzaak van een complex mechanisch onderdeel.

In plaats daarvan, de bundelchopper genereert een radiofrequente (RF) elektromagnetische golf in de richting van de elektronenbundel. De golf zorgt ervoor dat de bewegende elektronen zich gedragen "als kurken die op en neer dobberen op het oppervlak van een watergolf, ' zei Lau.

Rijden op deze golf, de elektronen volgen een golvend pad als ze de opening naderen. De meeste elektronen zijn geblokkeerd, behalve degenen die perfect zijn uitgelijnd met de opening. De frequentie van de RF-golf is instelbaar, zodat elektronen het monster ergens tussen de 40 miljoen en 12 miljard keer per seconde raken. Als resultaat, onderzoekers kunnen belangrijke processen in het monster vastleggen met tijdsintervallen van ongeveer een nanoseconde tot 10 picoseconden.

Op deze manier, de door NIST achteraf aangebrachte microscoop kan details op atoomschaal vastleggen van de heen en weer bewegingen in kleine machines zoals micro-elektromechanische systemen (MEMS) en nano-elektromechanische systemen (NEMS). Het kan potentieel de regelmatig herhalende signalen in antennes bestuderen die worden gebruikt voor snelle communicatie en de beweging van elektrische stromen in computerprocessors van de volgende generatie onderzoeken.

In één demonstratie de onderzoekers wilden bewijzen dat een retrofit microscoop functioneerde zoals voor de retrofit. Ze beeldden gouden nanodeeltjes af in zowel de traditionele "continue" modus als de pulserende straalmodus. De beelden in de gepulseerde modus hadden een vergelijkbare helderheid en resolutie als de stilstaande beelden.

"We hebben het zo ontworpen dat het hetzelfde zou moeten zijn, ' zei Lau.

De beam chopper kan ook dubbel werk doen, RF-energie in het materiaalmonster pompen en vervolgens foto's maken van de resultaten. De onderzoekers toonden dit vermogen aan door microgolven (een vorm van radiogolven) te injecteren in een metalen, kamvormig MEMS-apparaat. De microgolven creëren elektrische velden in het MEMS-apparaat en zorgen ervoor dat de binnenkomende pulsen van elektronen afbuigen. Deze elektronenafbuigingen stellen onderzoekers in staat om films te maken van de microgolven die zich door de MEMS-kam voortplanten.

Lau en haar collega's hopen dat hun uitvinding snel nieuwe wetenschappelijke ontdekkingen kan doen. Bijvoorbeeld, het zou het gedrag kunnen onderzoeken van snel veranderende magnetische velden in geheugenapparaten op moleculaire schaal die beloven meer informatie op te slaan dan voorheen.

De onderzoekers hebben zes jaar besteed aan het uitvinden en ontwikkelen van hun beam chopper en hebben verschillende patenten en een R&D 100 Award ontvangen voor hun werk. Co-auteurs in het werk waren onder meer Brookhaven National Laboratory in Upton, New York, en Euclid Techlabs in Bolingbrook, Illinois.

Een van de dingen waar Lau het meest trots op is, is dat hun ontwerp elk TEM nieuw leven kan inblazen, inclusief de 25 jaar oude eenheid die de laatste demonstratie uitvoerde. Het NIST-ontwerp geeft laboratoria overal de mogelijkheid om hun microscopen te gebruiken om belangrijke snel bewegende processen in de materialen van morgen vast te leggen.

"De democratisering van de wetenschap was de hele motivatie, ' zei Lau.