State-of-the-art atomic force microscopen (AFM's) zijn ontworpen om beelden vast te leggen van structuren zo klein als een fractie van een nanometer - een miljoen keer kleiner dan de breedte van een mensenhaar. In recente jaren, AFM's hebben desktopwaardige close-ups gemaakt van atoomgrote structuren, van enkele strengen DNA tot individuele waterstofbruggen tussen moleculen.

Maar het scannen van deze beelden is een nauwgezette, tijdrovend proces. AFM's zijn daarom meestal gebruikt om statische monsters af te beelden, omdat ze te traag zijn om actief vast te leggen, veranderende omgevingen.

Nu hebben ingenieurs van MIT een atoomkrachtmicroscoop ontworpen die beelden scant 2, 000 keer sneller dan bestaande commerciële modellen. Met dit nieuwe hogesnelheidsinstrument, het team maakte beelden van chemische processen die op nanoschaal plaatsvinden, met een snelheid die dicht bij realtime video ligt.

In een demonstratie van de mogelijkheden van het instrument, de onderzoekers scanden een monster van 70 bij 70 micron calciet terwijl het eerst werd ondergedompeld in gedeïoniseerd water en later werd blootgesteld aan zwavelzuur. Het team zag hoe het zuur het calciet wegvreet, het uitbreiden van bestaande putjes ter grootte van nanometers in het materiaal die snel samensmolten en leidden tot een laag-voor-laag verwijdering van calciet langs het kristalpatroon van het materiaal, over een periode van enkele seconden.

Kamal Youcef-Toumi, een professor in de werktuigbouwkunde aan het MIT, zegt dat de gevoeligheid en snelheid van het instrument wetenschappers in staat zullen stellen om atomaire processen te zien spelen als 'films' met een hoge resolutie.

"Mensen kunnen zien, bijvoorbeeld, condensatie, kiemvorming, ontbinding, of afzetting van materiaal, en hoe deze in realtime gebeuren - dingen die mensen nog nooit eerder hebben gezien, " zegt Youcef-Toumi. "Het is fantastisch om deze details naar voren te zien komen. En het zal geweldige kansen bieden om de hele wereld op nanoschaal te verkennen."

het ontwerp en de afbeeldingen van de groep, die gebaseerd zijn op het promotiewerk van Iman Soltani Bozchalooi, nu postdoc bij de faculteit Werktuigbouwkunde, zijn gepubliceerd in het tijdschrift Ultramicroscopie.

Het grote plaatje

Atoomkrachtmicroscopen scannen meestal monsters met behulp van een ultrafijne sonde, of naald, die langs het oppervlak van een monster scheert, het traceren van de topografie, vergelijkbaar met hoe een blinde braille leest. Monsters zitten op een verplaatsbaar platform, of scanner, die het monster lateraal en verticaal onder de sonde beweegt. Omdat AFM's ongelooflijk kleine structuren scannen, de instrumenten moeten langzaam werken, lijn bij lijn, om plotselinge bewegingen te vermijden die het monster zouden kunnen veranderen of het beeld zouden kunnen vervagen. Dergelijke conventionele microscopen scannen typisch ongeveer één tot twee lijnen per seconde.

"Als het monster statisch is, het is oké om acht tot tien minuten te nemen om een ​​foto te maken, " zegt Youcef-Toumi. "Maar als er iets verandert, stel je dan voor dat je heel langzaam van bovenaf begint te scannen. Tegen de tijd dat je de bodem bereikt, het monster is veranderd, en dus is de informatie in de afbeelding niet correct, omdat het in de loop van de tijd is uitgerekt."

Om het scanproces te versnellen, wetenschappers hebben geprobeerd kleinere, meer wendbare platforms die monsters sneller scannen, zij het over een kleiner gebied. Bozchalooi zegt dat dergelijke scanners, terwijl snel, laat wetenschappers niet uitzoomen om een ​​breder beeld te zien of grotere functies te bestuderen.

"Het is alsof je ergens in de Verenigde Staten landt en geen idee hebt waar je landt, en wordt verteld waar je ook landt, je mag maar een paar blokken om je heen kijken en tot een beperkte hoogte, " zegt Bozchalooi. "Er is geen manier om een ​​groter beeld te krijgen."

Synchroon scannen

Bozchalooi bedacht een ontwerp om scannen met hoge snelheid over zowel grote als kleine afstanden mogelijk te maken. De belangrijkste innovatie draait om een ​​multi-aangedreven scanner en de besturing ervan:een voorbeeldplatform bevat een kleinere, snellere scanner en een grotere, langzamere scanner voor elke richting, die samenwerken als één systeem om met hoge snelheid een breed 3D-gebied te scannen.

Andere pogingen tot multi-aangedreven scanners zijn gedwarsboomd, voornamelijk vanwege de interacties tussen scanners:de beweging van de ene scanner kan de precisie en beweging van de andere beïnvloeden. Onderzoekers hebben ook ontdekt dat het moeilijk is om elke scanner afzonderlijk te besturen en ze aan het werk te krijgen met elk ander onderdeel van een microscoop. Om elk nieuw monster te scannen, Bozchalooi zegt dat een wetenschapper meerdere afstemmingen en aanpassingen aan meerdere componenten in het instrument zou moeten maken.

Om het gebruik van het meervoudig aangedreven instrument te vereenvoudigen, Bozchalooi ontwikkelde besturingsalgoritmen die rekening houden met het effect van de ene scanner op de andere.

"Onze controller kan de kleine scanner zo verplaatsen dat hij de grote scanner niet opwindt, omdat we weten wat voor soort beweging deze scanner activeert, en vice versa, " zegt Bozchalooi. "Uiteindelijk, ze werken synchroon, dus vanuit het perspectief van de wetenschapper, deze scanner ziet eruit als een enkele, hoge snelheid, scanner met groot bereik die geen complexiteit toevoegt aan de werking van het instrument."

Na het optimaliseren van andere componenten op de microscoop, zoals de optiek, instrumentatie, en data-acquisitiesystemen, het team ontdekte dat het instrument een monster van calciet vooruit en achteruit kon scannen, zonder enige schade aan de sonde of het monster. De microscoop scant een monster sneller dan 2, 000 hertz, of 4, 000 regels per seconde-2, 000 keer sneller dan bestaande commerciële AFM's. Dit vertaalt zich naar ongeveer acht tot tien frames per seconde. Bozchalooi zegt dat het instrument geen limiet heeft op het beeldbereik en voor een maximale sondesnelheid, kan over honderden microns scannen, evenals beeldkenmerken die enkele microns hoog zijn.

"We willen naar echte video gaan, dat is minimaal 30 frames per seconde, " zegt Youcef-Toumi. "Hopelijk kunnen we werken aan het verbeteren van het instrument en de bedieningselementen, zodat we beeldvorming met videosnelheid kunnen doen, terwijl het grote bereik behouden blijft en het gebruiksvriendelijk blijft. Dat zou geweldig zijn om te zien."