_ Prima rezoluție înaltă Imagistica chimică la scară nanometrică 3D realizată cu tomografie multimodală

Prin exploatarea unui algoritm de învățare inteligent care fuzionează două semnale de microscopie, cercetătorii de la Universitatea din Michigan au realizat pentru prima dată imagistica chimică 3D de înaltă rezoluție și eficientă. - scara nanometrica. Pentru context, un nanometru este o milioneme dintr-un milimetru, sau o sută de miimi din lățimea unui păr uman.

„Văzand lumi invizibile, mult mai mici decât lungimile de undă ale luminii, este absolut esențială pentru înțelegând materia pe care o proiectăm la scară nanometrică, nu doar în 2D, ci și în 3D”, a spus Robert Hovden, profesor asociat de știința materialelor și inginerie la UM și autor corespondent al studiului publicat în Nature Communications.

„Prin valorificarea cunoștințelor noastre despre procesul de imagistică și luând o nouă abordare a reconstrucției tomografice, suntem acum capabili să imaginăm simultan structura și compoziția chimică cu rezoluție înaltă în 3D. Aceasta este o abordare deosebit de utilă pentru materiale complexe și eterogene, „, a spus Mary Scott, autorul care contribuie la studiu și profesor asociat Ted van Duzer al Departamentului de Știința și Inginerie a Materialelor din UC Berkeley și om de știință al personalului facultății din Divizia de turnătorie moleculară a Laboratorului Național Lawrence Berkeley.

Până în acest moment, cercetătorii din nanomateriale au fost nevoiți să aleagă între imaginea structurii 3D sau distribuția chimică 2D.

Ambele tehnici de imagistică folosesc un microscop electronic cu transmisie cu scanare, care accelerează un fascicul de electroni de mare energie printr-un material de probă. Acești electroni de înaltă energie pot rezolva structuri la distanțe mai mici decât lungimea legăturii atomilor. Cu toate acestea, imagistica de înaltă rezoluție necesită o cantitate substanțială de doză, sau energie, pentru a capta eficient structura atomică sau chimia.

De cele mai multe ori, doza necesară pentru imagistica chimică este chiar la limitarea materialului unde probele vor începe să fie se topește dacă este mai expus la fascicul. Acest lucru este deosebit de important pentru imagistica chimică 3D, care necesită achiziționarea multor imagini chimice.

Imaginile 3D la scară nanometrică funcționează similar cu o scanare CT medicală, în care echipamentul se rotește în jurul unui pacient pentru a colecta imagini în mai multe unghiuri pentru a le vizualiza structuri interne în 3D.

În schimb, cu tomografia electronică - metoda preferată pentru imagistica la scară nanometrică 3D - fasciculul de electroni rămâne staționar în timp ce proba se înclină în jurul lui. Totuși, acest lucru vine cu propriul set de complicații, în care cercetătorii nu pot să-și imagineze pe deplin eșantionul și trebuie să se bazeze pe algoritmi de învățare automată pentru a prezice vizualizările din unghiuri indisponibile.

„Structura este un lucru, dar dacă doriți. pentru a vedea stratul de oxid de pe un tranzistor sau distribuția oxigenului într-o nanoparticulă proiectată pentru aplicații de energie curată, trebuie să vedeți chimia la scară nanometrică, pe care nu o puteți obține doar din tomografia electronică”, a spus Hovden.

Pentru a depăși problema dozei de energie, echipa de cercetare a dezvoltat un nou proces cunoscut sub numele de „tomografie electronică multimodală” pentru a colecta imagini la fiecare unghi de înclinare, în timp ce imaginile chimice sunt colectate puțin la fiecare câteva înclinări. Un algoritm multimodal preia apoi informațiile pentru ambele tipuri de semnal și emite structura 3D și chimia.

Amestecarea semnalelor permite o reducere de aproximativ 100 de ori a dozei de energie, asigurând că proba nu este distrusă înainte de finalizarea imaginii.

Rezultatele demonstrează că tehnica este capabilă să imagineze atât compuși organici, cât și metale simultan, dovedind utilizarea tehnicii pe o gamă largă de materiale.

„Soluția noastră profită de toate semnalele complementare care sunt prezente în microscopul nostru prin promovarea comunicării între un semnal care nu necesită multă doză și un semnal foarte înfometat de doză”, a spus Jonathan Schwartz, doctor. absolvent de știința și ingineria materialelor de la UM și autorul principal al studiului.

Cele două tehnici de imagistică se bazează pe proprietăți fizice diferite ale electronilor în timp ce se deplasează printr-un material. Imaginile 3D se bazează pe împrăștierea elastică, unde electronii nu pierd energie pe măsură ce trec prin eșantion. În imagistica chimică, fasciculul de electroni cu energie mai mare crește probabilitatea unui eveniment mai rar de împrăștiere inelastică, în care electronii pierd o anumită cantitate de energie care reflectă elementul cu care s-a ciocnit, oferind o semnătură chimică unică.

" Aceasta este o abordare radical nouă a modului în care amestecăm și utilizăm semnalele electronilor împrăștiați elastic și inelastic”, a spus Hovden.

Pe lângă distribuția chimică, rezultatul învățării automate oferă chiar informații despre stoichiometrie sau despre raporturile elementelor din material. De exemplu, pentru fiecare motiv din oxidul feric (Fe2O3), ai putea avea doi atomi de fier pentru fiecare trei atomi de oxigen sau poate ai putea avea doi atomi de fier pentru fiecare doi atomi de oxigen.

„Deoarece algoritmul încearcă să descopere descompunerea elementelor prezente, surprinde destul de bine raportul dintre chimie. Acesta a fost ceva ce l-am obținut gratuit ca parte a procesului de optimizare al algoritmului nostru”, a spus Schwartz, acum om de știință la Chan Zuckerberg Imaging Institute.

Hovden atribuie succesul tehnicii valorificând fizica, știința materialelor și informatica modernă.

„Primul pas este să înțelegem fizica electronilor care interacționează cu materia sub microscopul nostru pentru fiecare detector leagă toți acești detectoare pentru a crea o imagine completă, este un spațiu nou-nouț de jucat în acest domeniu”, a spus Hovden.

Combinând două semnale diferite, cunoscute și sub numele. imagistica multimodală - câștigă tracțiune în domeniile ingineriei. Scurgerile de metan pot fi detectate și abordate folosind imagini prin satelit combinate cu senzori termici sau chimici. Mașinile care conduc singure combină semnale de teledetecție, care oferă informații despre teren, cu semnale de la mașină pentru a îmbunătăți navigația.

„Acesta este unul dintre primele rezultate mari ale puterii multimodalității în domeniul nostru. Este interesant să încă mai găsesc noi modalități de a vedea materia la aceste scale mici”, a spus Hovden.

(Fluierul)