I ricercatori del laboratorio di fisica dell'Università dell'Oregon di Ben McMorran hanno avuto un ottimo 2018 pubblicando quattro articoli sui loro sforzi per portare nuova vita ai microscopi elettronici a trasmissione a scansione per la ricerca medica e sui materiali.

Hanno creato una tecnica, olografia STEM, che invia elettroni lungo due percorsi separati, uno che passa attraverso un campione e uno no. Ciò consente loro di misurare il ritardo tra di loro per creare un'immagine ad alta risoluzione. Fornisce una migliore risoluzione atomica della struttura esterna di un campione e svela interfacce inedite tra un campione e il materiale sottostante.

I ricercatori hanno testato la loro tecnica su nanoparticelle d'oro, substrati di carbonio e campi elettrici. Infine, potrebbe essere ottimizzato per l'uso su campioni biologici vivi, disse McMorran, professore associato presso il Dipartimento di Fisica.

"Questa tecnica ci permette di studiare materiali ad alta risoluzione, misurarli accuratamente e comprenderli meglio di quanto fosse possibile prima, " ha detto il dottorando Fehmi Yasin. "Possiamo visualizzare materiali biomolecolari a risoluzione atomica senza distruggerli? Non ancora, ma la nostra tecnica è un buon primo passo".

Ricercatori in Germania, Il Giappone e gli Stati Uniti hanno teorizzato 30 anni fa che un simile approccio fosse possibile, ma la tecnologia disponibile non ha permesso loro di dimostrarlo come una tecnica di imaging pratica, disse Yasin. I ricercatori dell'UO hanno ora dimostrato, utilizzando microscopi presso l'UO, Lawrence Berkeley National Laboratory e Hitachi Ltd. Research and Development Group in Giappone:l'olografia STEM funziona.

La tecnica si basa sull'olografia elettronica, un altro recente progresso che richiede lo stato dell'arte, cannoni elettronici a costi proibitivi, aperture appositamente costruite e alimentatori altamente stabili per fornire una risoluzione su scala atomica.

"Utilizzando l'olografia STEM flessibile, una propaggine che abbiamo sviluppato in collaborazione con Toshiaki Tanigaki di Hitachi, ora possiamo catturare con più precisione le interessanti geometrie dei materiali, "Yasi ha detto, "In precedenza, il campo visivo dell'olografia STEM era limitato a forse 30 nanometri. L'uso dell'olografia STEM flessibile espande il campo visivo."

Il primo microscopio elettronico a trasmissione è stato realizzato in Germania da Max Knoll, un ingegnere elettrico, ed Ernst Ruska, un fisico, nel 1931. La prima versione commerciale emerse nel 1939. Ruska vinse il Premio Nobel per la fisica per i suoi sforzi nel 1986.

I microscopi multimilionari creano micrografie mentre un fascio di elettroni passa attraverso una sottile fetta di un campione. Tradizionalmente nei microscopi elettronici a trasmissione a scansione, i campi magnetici vengono utilizzati per focalizzare il raggio su un punto di un campione delle dimensioni di un atomo. Quel raggio viene quindi scansionato attraverso un campione, ma per vedere qualsiasi cosa è necessario un gran numero di elettroni perché la maggior parte di essi attraversa un campione senza essere deviata.

L'approccio UO pone un reticolo di diffrazione sopra un campione, creando raggi aggiuntivi che colpiscono il campione e un ologramma sotto di esso. Ciò cattura i segnali degli elettroni che non sono dispersi e dettagli su come gli altri vengono rallentati mentre passano attraverso un campione.

La recente serie di articoli ha confermato che l'olografia STEM corrisponde alle simulazioni al computer.

"Abbiamo messo il microscopio elettronico in condizioni in cui potevamo isolare il segnale a cui teniamo, e abbiamo esaminato diversi tipi di campioni, " ha detto l'ex studente di dottorato UO Tyler Harvey, ora ricercatore post-dottorato presso l'Università di Gottinga. "Abbiamo anche simulato le immagini di un campione e abbiamo scoperto che le simulazioni corrispondevano molto bene all'esperimento".

In un articolo di dicembre condotto da Harvey sulla rivista Revisione fisica applicata , il team dell'UO ha dettagliato la tecnica e come funziona teoricamente.

In un documento separato in Nano lettere , un team guidato da Yasin ha dimostrato che la tecnica fornisce immagini a risoluzione subnanometrica di materiali a base di carbonio. Il colore rappresenta lo spessore, che aggiunge una terza dimensione e migliora le misure.

Le immagini erano chiare come previsto con un basso numero di elettroni, hanno notato i ricercatori.

"Pensiamo che l'olografia STEM sarà un ottimo strumento per la scienza dei materiali e la biologia, " Ha detto Harvey. "La tecnica eccelle davvero nell'imaging di campi elettrici e magnetici, e può farlo mentre fa la cosa che interessa di più alla maggior parte degli scienziati dei materiali:vedere dove sono gli atomi".

La capacità di utilizzare la tecnica su campioni biologici è molto lontana, ma essere in grado di farlo in sicurezza potrebbe avere enormi guadagni, disse Yasin.

"Ora abbiamo molti farmaci che attaccano la composizione di un cancro, " disse Yasin. "Ma quella composizione è simile in tutto il nostro corpo, quindi questi farmaci antitumorali attaccano contemporaneamente sia le cellule malate che le altre cellule del corpo. Se conoscessimo la posizione di ciascun atomo nella cellula cancerosa, potremmo svilupparci molto meglio, farmaci più efficaci, senza gli effetti collaterali mortali."

McMorran ha scritto per la prima volta sull'idea di utilizzare un approccio olografico in un articolo del gennaio 2011 su Science, quando era con il National Institute of Standards and Technology nel Maryland.

Nel suo laboratorio UO, sostenuto dalla National Science Foundation e dal Dipartimento dell'Energia degli Stati Uniti, i ricercatori hanno perseguito quattro aree, tutto ciò cerca di visualizzare porzioni di materiali che sono state difficili da rilevare.

Le quattro aree si concentrano su materiali trasparenti, inclusi biomateriali o altre molecole organiche; campi elettrici, come la carica e la sua distribuzione nei singoli transistor; campi magnetici, come i materiali ora su hard disk e potenzialmente utili nella spintronica; ed elettroni e qubit dovrebbero essere utilizzati nei computer quantistici.

"Quasi quattro di queste cose potrebbero non funzionare, " ha detto McMorran, che è anche membro del Materials Science Institute e dell'Oregon Center for Optical, Scienze molecolari e quantistiche. "Potrebbe esserci una tecnica migliore che finisce per essere la migliore per alcuni. Potremmo sviluppare uno strumento utile per raggiungere tutte e quattro le possibilità o forse solo una di esse. In questo momento, tutte le frecce puntano a tutti e quattro."