Elektronen kunnen ons zicht op microscopisch kleine objecten veel verder uitbreiden dan met zichtbaar licht mogelijk is - helemaal tot op atomaire schaal. Een populaire methode in elektronenmicroscopie om naar taaie, veerkrachtige materialen in atomaire detail heet STEM, of scanning transmissie-elektronenmicroscopie, maar de sterk gefocuste elektronenbundel die in STEM wordt gebruikt, kan ook gemakkelijk delicate monsters vernietigen.

Dit is de reden waarom het gebruik van elektronen om biologische of andere organische verbindingen in beeld te brengen, zoals chemische mengsels die lithium bevatten - een licht metaal dat een populair element is in batterijonderzoek van de volgende generatie - vereisen een zeer lage elektronendosis.

Wetenschappers van het Lawrence Berkeley National Laboratory van het Department of Energy (Berkeley Lab) hebben een nieuwe beeldvormingstechniek ontwikkeld, getest op monsters van goud en koolstof op nanoschaal, dat de beelden van lichte elementen met minder elektronen aanzienlijk verbetert.

De nieuw gedemonstreerde techniek, genaamd MIDI-STEM, voor op elkaar afgestemde verlichting en detectorinterferometrie STEM, combineert STEM met een optisch apparaat genaamd een faseplaat die de afwisselende piek-naar-dal wijzigt, golfachtige eigenschappen (de fase genoemd) van de elektronenbundel.

Deze faseplaat modificeert de elektronenbundel op een manier die subtiele veranderingen in een materiaal mogelijk maakt om te meten, zelfs onthullende materialen die onzichtbaar zouden zijn in traditionele STEM-beeldvorming.

Een andere op elektronen gebaseerde methode, die onderzoekers gebruiken om de gedetailleerde structuur van delicate, bevroren biologische monsters, heet cryo-elektronenmicroscopie, of cryo-EM. Hoewel single-particle cryo-EM een krachtig hulpmiddel is - het werd genoemd als wetenschappelijk tijdschrift Natuur Methode van het jaar 2015 — het vereist meestal een gemiddelde van veel identieke monsters om effectief te zijn. Cryo-EM is over het algemeen niet bruikbaar voor het bestuderen van monsters met een mengsel van zware elementen (bijvoorbeeld de meeste soorten metalen) en lichte elementen zoals zuurstof en koolstof.

"De MIDI-STEM-methode biedt hoop voor het zien van structuren met een mix van zware en lichte elementen, zelfs als ze dicht bij elkaar staan, " zei Colin Ophus, een projectwetenschapper bij Berkeley Lab's Molecular Foundry en hoofdauteur van een studie, gepubliceerd op 29 februari in Natuurcommunicatie , dat beschrijft deze methode.

Als je een nanodeeltje met een zwaar element neemt en er moleculen aan toevoegt om het een specifieke functie te geven, conventionele technieken bieden geen gemakkelijke, duidelijke manier om de gebieden te zien waar het nanodeeltje en toegevoegde moleculen elkaar ontmoeten.

"Hoe zijn ze uitgelijnd? Hoe zijn ze georiënteerd?" vroeg Ophu. "Er zijn zoveel vragen over deze systemen, en omdat er geen manier was om ze te zien, we konden ze niet direct beantwoorden."

Terwijl traditionele STEM effectief is voor "harde" monsters die bestand zijn tegen intense elektronenstralen, en cryo-EM kan biologische monsters afbeelden, "We kunnen het allebei tegelijk" met de MIDI-STEM-techniek, zei Peter Ercius, een stafwetenschapper van Berkeley Lab bij de Molecular Foundry en co-auteur van de studie.

De faseplaat in de MIDI-STEM-techniek maakt een directe meting mogelijk van de fase van elektronen die zwak verstrooid zijn als ze interageren met lichte elementen in het monster. Deze metingen worden vervolgens gebruikt om zogenaamde fasecontrastbeelden van de elementen te construeren. Zonder deze fase-informatie, de hoge resolutie afbeeldingen van deze elementen zouden niet mogelijk zijn.

In dit onderzoek, de onderzoekers combineerden faseplaattechnologie met een van 's werelds hoogste resolutie STEM's, bij de Molecular Foundry van Berkeley Lab, en een hogesnelheidselektronendetector.

Ze maakten afbeeldingen van monsters van kristallijne gouden nanodeeltjes, die enkele nanometers meet, en de superdunne film van amorfe koolstof waarop de deeltjes zaten. Ze voerden ook computersimulaties uit die valideerden wat ze in het experiment zagen.

De faseplaattechnologie is ontwikkeld als onderdeel van een Berkeley Lab Laboratory Directed Research and Development-beurs in samenwerking met Ben McMorran van de Universiteit van Oregon.

The MIDI-STEM technique could prove particularly useful for directly viewing nanoscale objects with a mixture of heavy and light materials, such as some battery and energy-harvesting materials, that are otherwise difficult to view together at atomic resolution.

It also might be useful in revealing new details about important two-dimensional proteins, called S-layer proteins, that could serve as foundations for engineered nanostructures but are challenging to study in atomic detail using other techniques.

In de toekomst, a faster, more sensitive electron detector could allow researchers to study even more delicate samples at improved resolution by exposing them to fewer electrons per image.

"If you can lower the electron dose you can tilt beam-sensitive samples into many orientations and reconstruct the sample in 3-D, like a medical CT scan. There are also data issues that need to be addressed, " Ercius said, as faster detectors will generate huge amounts of data. Another goal is to make the technique more "plug-and-play, " so it is broadly accessible to other scientists.