I ricercatori utilizzano la microscopia elettronica per produrre immagini ad alta risoluzione su scala atomica di qualsiasi cosa, dai nanomateriali compositi alle singole proteine. La tecnologia fornisce preziose informazioni sulla trama, chimica, e struttura di questi materiali. La ricerca negli ultimi decenni si è concentrata sul raggiungimento di risoluzioni più elevate:essere in grado di visualizzare materiali a livelli progressivamente più fini con maggiore sensibilità e contrasto. Ma cosa riserva il futuro alla microscopia elettronica?

Andrew Minor è il direttore della struttura del Centro nazionale per la microscopia elettronica nella fonderia molecolare del Berkeley Lab. Minor è anche membro della Divisione di Scienze dei Materiali, e professore di scienza e ingegneria dei materiali all'Università di Berkeley, è stato coautore di oltre 190 pubblicazioni e ha ricevuto numerosi premi e riconoscimenti per il suo lavoro. Il gruppo di ricerca di Minor si concentra su nuovi metodi che utilizzano la microscopia elettronica per studiare la struttura ei fenomeni su nanoscala nei materiali.

D. Il futuro della microscopia elettronica riguarda il raggiungimento di una risoluzione ancora maggiore o il miglioramento di un altro aspetto della tecnologia?

R. Storicamente, la risoluzione era la cosa che le persone erano più interessate a spingere, e questo è successo negli ultimi 30-40 anni con grande effetto. I microscopi elettronici ora possono raggiungere una risoluzione di metà angstrom. È la metà della larghezza di un atomo di idrogeno, e un atomo di idrogeno è l'atomo più piccolo che esista. Non c'è molto da guardare oltre a questo. Quindi la risoluzione spaziale effettiva non è più un fattore determinante per la maggior parte delle applicazioni.

Però, il grande avvertimento è che questa grande risoluzione è davvero disponibile solo vicino alla temperatura ambiente. Molto di ciò che ci interessa studiare non è a temperatura ambiente, e ci sono grossi problemi nel raggiungere quel tipo di risoluzioni se si va a temperature molto basse o molto alte. La mia sensazione personale è che i miglioramenti tecnologici più importanti verranno dall'estensione ad altri ambienti della risoluzione che conosciamo e amiamo a temperatura ambiente.

D. Cosa consentirebbe la microscopia elettronica ad alta risoluzione a temperature più basse?

R. Una cosa che consentirebbe è ottenere immagini migliori di materiali sensibili al fascio di elettroni. C'è questo compromesso intrinseco tra il fatto che gli elettroni interagiscono fortemente con la materia, ma ciò significa anche che danneggiano molto facilmente la materia. Un metallo o una ceramica possono resistere a molti elettroni, ciò che chiamiamo un'alta dose di elettroni in un esperimento. Puoi ottenere immagini molto nitide perché puoi inviare molti elettroni e aumentare davvero il rapporto segnale / rumore. Nella comunità biologica, o anche con un materiale morbido come un polimero, gli stessi elettroni possono e fanno molto rapidamente danneggiare le strutture. Ciò limita la tua capacità di visualizzare il materiale in uno stato incontaminato o rappresentativo.

Un modo in cui il campo ha affrontato questo problema è eseguendo la microscopia a bassa temperatura, la cosiddetta crioEM, dove stai limitando leggermente il danno al materiale perché le cose sono più congelate sul posto e il danno non si evolve così velocemente. Ma quando vai a basse temperature, perché tutto il resto della colonna del microscopio è caldo rispetto alla bassa temperatura del campione, il tuo campione si sposta e cambia posizione. E quando sei ad alto ingrandimento rende le immagini sfocate. Ecco perché personalmente penso, e qui al Berkeley Lab pensiamo, la soluzione a questo problema intrinseco è rendere freddo l'intero microscopio. Un grande nuovo concetto che stiamo guidando qui è quello di sviluppare un microscopio a temperatura molto bassa che possa raggiungere un grado Kelvin. Molti materiali interessanti esistono solo a quelle basse temperature.

D. A che punto sei nello sviluppo di un microscopio freddo e cosa potrebbe consentire ai ricercatori di fare?

R. Abbiamo iniziato la progettazione con il supporto del programma di ricerca e sviluppo diretto dal laboratorio e abbiamo il supporto del Dipartimento dell'Energia attraverso la Molecular Foundry per costruire un prototipo di sistema di test di magneti superconduttori per confermare alcuni aspetti del nostro design. Abbiamo anche tenuto una riunione della comunità a gennaio per esaminare i diversi driver scientifici e pensare a cosa si potrebbe fare se si avesse questa bella risoluzione a basse temperature per nuovi materiali. Interi aspetti della fisica della materia condensata e della fisica dello stato solido esistono davvero solo a basse temperature. La più ovvia è la superconduttività:la maggior parte delle persone sa che i superconduttori esistono solo a basse temperature. Li scaldi troppo e quella proprietà scompare. Molte proprietà sono così in quelli che vengono chiamati sistemi fortemente correlati, o materiali quantistici in breve. Non siamo stati in grado di esaminare con risoluzione atomica molti di questi interessanti aspetti dei materiali quantistici a causa dei problemi intrinseci di deriva e stabilità nei microscopi ora disponibili.

Un'altra capacità potrebbe essere la progettazione di nuovi materiali o il miglioramento di quelli esistenti. Nella scienza dei materiali ci interessa la correlazione tra struttura e proprietà. Potendo esaminarlo alla risoluzione fondamentale del materiale, come atomi, è una parte fondamentale di ciò che va nello sviluppo di nuovi materiali.

D. Quali potrebbero essere altre possibilità?

R. I materiali esotici su pianeti lontani esistono a temperature fredde. Cosa possiamo imparare studiando materiali che si formano solo a basse temperature? Il microscopio a bassa temperatura fornirebbe anche un ambiente ad alto vuoto, which would be ideal for looking closely at the surfaces of materials such as catalytic particles. Other things that would be of interest include the basic science of looking at structures when they are slow and frozen. A lot of processes are very fast at the atomic scale, like ions going back and forth in a battery. It's so fast that usually we can't capture it. Going cold would be one way to try to slow down processes to examine materials dynamically that are too fast to capture at room temperature.

I'm a materials scientist, so I gave you a lot of materials applications. But more broadly, the field of electron microscopy is impacting other fields, such as the biological community, the earth sciences community, microelectronics, and drug discovery. Going to low temperatures is of interest in these fields because you'll get a better picture and better measurements and enable atomic resolution imaging in an environment that is important for many advanced technologies, like quantum computing.