I microscopi a forza atomica (AFM) all'avanguardia sono progettati per catturare immagini di strutture piccole quanto una frazione di nanometro, un milione di volte più piccole della larghezza di un capello umano. Negli ultimi anni, Gli AFM hanno prodotto primi piani degni di un desktop di strutture delle dimensioni di un atomo, dai singoli filamenti di DNA ai singoli legami idrogeno tra le molecole.

Ma la scansione di queste immagini è un'operazione meticolosa, processo che richiede tempo. Gli AFM quindi sono stati utilizzati principalmente per l'immagine di campioni statici, poiché sono troppo lenti per catturare attivi, ambienti mutevoli.

Ora gli ingegneri del MIT hanno progettato un microscopio a forza atomica che scansiona le immagini 2, 000 volte più veloce dei modelli commerciali esistenti. Con questo nuovo strumento ad alta velocità, il team ha prodotto immagini di processi chimici che avvengono su scala nanometrica, a una velocità vicina al video in tempo reale.

In una dimostrazione delle capacità dello strumento, i ricercatori hanno scansionato un campione di calcite di 70 x 70 micron mentre veniva prima immerso in acqua deionizzata e successivamente esposto all'acido solforico. Il team ha osservato che l'acido divorava la calcite, espandere le fosse esistenti di dimensioni nanometriche nel materiale che si sono rapidamente fuse e hanno portato a una rimozione strato per strato di calcite lungo il modello cristallino del materiale, per un periodo di alcuni secondi.

Kamal Youcef-Toumi, professore di ingegneria meccanica al MIT, afferma che la sensibilità e la velocità dello strumento consentiranno agli scienziati di osservare processi di dimensioni atomiche come "film" ad alta risoluzione.

"Le persone possono vedere, Per esempio, condensazione, nucleazione, dissoluzione, o deposito di materiale, e come questi accadono in tempo reale, cose che le persone non hanno mai visto prima, " Dice Youcef-Toumi. "È fantastico vedere emergere questi dettagli. E aprirà grandi opportunità per esplorare tutto questo mondo che è su scala nanometrica".

Il design e le immagini del gruppo, che si basano sul lavoro di dottorato di Iman Soltani Bozchalooi, ora assegnista di ricerca presso il Dipartimento di Ingegneria Meccanica, sono pubblicati sulla rivista Ultramicroscopy.

La grande immagine

I microscopi a forza atomica in genere scansionano i campioni utilizzando una sonda ultrafine, o ago, che sfiora la superficie di un campione, tracciando la sua topografia, in modo simile a come una persona cieca legge il Braille. I campioni si trovano su una piattaforma mobile, o scanner, che sposta il campione lateralmente e verticalmente sotto la sonda. Poiché gli AFM scansionano strutture incredibilmente piccole, gli strumenti devono lavorare lentamente, linea per linea, per evitare movimenti improvvisi che potrebbero alterare il campione o sfocare l'immagine. Tali microscopi convenzionali scansionano tipicamente da una a due righe al secondo.

"Se il campione è statico, va bene impiegare dagli otto ai dieci minuti per ottenere una foto, " dice Youcef-Toumi. "Ma se è qualcosa che sta cambiando, quindi immagina se inizi a scansionare dall'alto molto lentamente. Quando arrivi in ​​fondo, il campione è cambiato, e quindi le informazioni nell'immagine non sono corrette, poiché è stato allungato nel tempo."

Per accelerare il processo di scansione, gli scienziati hanno provato a costruire più piccoli, piattaforme più agili che scansionano i campioni più rapidamente, anche se su un'area più piccola. Bozchalooi afferma che tali scanner, mentre veloce, non consentire agli scienziati di ridurre lo zoom per vedere una vista più ampia o studiare caratteristiche più grandi.

"È come se stessi atterrando da qualche parte negli Stati Uniti e non avessi idea di dove atterri, e ti viene detto dovunque atterri, puoi guardare solo per pochi isolati intorno e fino a un'altezza limitata, " Bozchalooi dice. "Non c'è modo di ottenere un'immagine più grande."

Scansione in sincronia

Bozchalooi ha ideato un progetto per consentire la scansione ad alta velocità su intervalli sia grandi che piccoli. La principale innovazione è incentrata su uno scanner multiazionato e sul suo controllo:una piattaforma campione incorpora uno scanner più piccolo, scanner più veloce e uno più grande, scanner più lento per ogni direzione, che lavorano insieme come un unico sistema per scansionare un'ampia regione 3D ad alta velocità.

Altri tentativi di scanner multiazionati sono stati ostacolati, principalmente a causa delle interazioni tra scanner:il movimento di uno scanner può influenzare la precisione e il movimento dell'altro. I ricercatori hanno anche scoperto che è difficile controllare ogni scanner separatamente e farli funzionare con ogni altro componente di un microscopio. Per scansionare ogni nuovo campione, Bozchalooi afferma che uno scienziato dovrebbe effettuare più accordature e regolazioni a più componenti dello strumento.

Per semplificare l'uso dello strumento multiazionato, Bozchalooi ha sviluppato algoritmi di controllo che tengono conto dell'effetto di uno scanner sull'altro.

"Il nostro controller può spostare il piccolo scanner in modo da non eccitare il grande scanner, perché sappiamo che tipo di movimento attiva questo scanner, e viceversa, " Bozchalooi dice. "Alla fine, stanno lavorando in sincronia, quindi dal punto di vista dello scienziato, questo scanner sembra un singolo, alta velocità, scanner ad ampio raggio che non aggiunge alcuna complessità al funzionamento dello strumento."

Dopo aver ottimizzato altri componenti sul microscopio, come l'ottica, strumentazione, e sistemi di acquisizione dati, il team ha scoperto che lo strumento era in grado di scansionare un campione di calcite avanti e indietro, senza alcun danno alla sonda o al campione. Il microscopio scansiona un campione più velocemente di 2, 000 hertz, o 4, 000 righe al secondo—2, 000 volte più veloce degli AFM commerciali esistenti. Questo si traduce in circa 8-10 fotogrammi al secondo. Bozchalooi afferma che lo strumento non ha limiti alla gamma di immagini e per una velocità massima della sonda, può scansionare centinaia di micron, così come le caratteristiche dell'immagine che sono alte diversi micron.

"Vogliamo andare al video reale, che è almeno 30 fotogrammi al secondo, " Dice Youcef-Toumi. "Speriamo di poter lavorare sul miglioramento dello strumento e dei controlli in modo da poter eseguire l'imaging a velocità video mantenendo la sua vasta gamma e mantenendolo facile da usare. Sarebbe qualcosa di bello da vedere".