Il microscopio elettronico, un potente strumento per la scienza, è appena diventato ancora più potente, con un miglioramento sviluppato dai fisici Cornell. Il loro rivelatore a matrice di pixel al microscopio elettronico (EMPAD) non produce solo un'immagine, ma una ricchezza di informazioni sugli elettroni che creano l'immagine e, da quello, maggiori informazioni sulla struttura del campione.

"Possiamo estrarre ceppi locali, inclina, rotazioni, polarità e persino campi elettrici e magnetici, " ha spiegato David Muller, professore di fisica applicata e ingegneria, che ha sviluppato il nuovo dispositivo con Sol Gruner, professore di fisica, e membri dei loro gruppi di ricerca.

Il Center for Technology Licensing (CTL) di Cornell ha concesso in licenza l'invenzione a FEI, leader nella produzione di microscopi elettronici (una divisione di Thermo Fisher Scientific, che fornisce prodotti e servizi per le scienze della vita attraverso diversi marchi). FEI prevede di completare la commercializzazione del progetto e di offrire il rivelatore per microscopi elettronici nuovi e adattati quest'anno.

"È sbalorditivo contemplare ciò che i ricercatori di tutto il mondo scopriranno attraverso questa combinazione della profonda esperienza di Cornell nella scienza dei rivelatori con il leader di mercato Thermo Fisher Scientific, " ha detto Patrick Govang, responsabile delle licenze tecnologiche presso CTL.

Gli scienziati hanno descritto il loro lavoro nel numero di febbraio 2016 della rivista Microscopia e Microanalisi .

Nel consueto microscopio elettronico a scansione a trasmissione (STEM), uno stretto fascio di elettroni viene emesso attraverso un campione, scansione avanti e indietro per produrre un'immagine. Un rilevatore sottostante legge l'intensità variabile degli elettroni che passano e invia un segnale che disegna un'immagine sullo schermo di un computer.

L'EMPAD che sostituisce il solito rivelatore è costituito da un array 128x128 di pixel sensibili agli elettroni, ogni 150 micron (milionesimi di metro) quadrato, collegato a un circuito integrato che legge i segnali, un po' come l'array di pixel sensibili alla luce nel sensore di una fotocamera digitale, ma non per formare un'immagine. Il suo scopo è rilevare gli angoli ai quali emergono gli elettroni, poiché ogni elettrone colpisce un pixel diverso. L'EMPAD è uno spin-off dei rivelatori di raggi X che i fisici hanno costruito per il lavoro di cristallografia a raggi X presso la Cornell High Energy Synchrotron Source (CHESS), e può funzionare in modo simile per rivelare la struttura atomica di un campione.

In combinazione con il fascio focalizzato del microscopio elettronico, il rivelatore consente ai ricercatori di costruire una mappa "quadridimensionale" sia della posizione che della quantità di moto degli elettroni mentre passano attraverso un campione per rivelare la struttura atomica e le forze all'interno. L'EMPAD è insolito nella sua velocità, sensibilità e un'ampia gamma di intensità che può registrare, dal rilevamento di un singolo elettrone a fasci intensi contenenti centinaia di migliaia o addirittura un milione di elettroni.

"Sarebbe come fotografare un tramonto che mostrasse sia i dettagli sulla superficie del sole sia i dettagli delle ombre più scure, " ha spiegato Muller.

Il miglioramento è entusiasmante anche per gli scienziati della vita perché la raccolta di tutti gli elettroni dispersi rende lo strumento molto più sensibile, utilizzando un'esposizione meno intensa per ottenere un'immagine e limitare i danni a un esemplare vivente.

"L'EMPAD registra un fotogramma dell'immagine in meno di un millisecondo e può rilevare da uno a un milione di elettroni primari per pixel, per fotogramma, " ha spiegato Muller. "Questo è 1, 000 volte la gamma dinamica, e 100 volte la velocità dei sensori di immagine elettronici convenzionali."

"Ora possiamo osservare meglio i processi all'interno delle cellule intatte, " disse Lena Kourkoutis, assistente professore di fisica applicata e ingegneria. La bassa dose di radiazioni permette esposizioni multiple, per riprendere "filmati" time-lapse dei processi cellulari o per visualizzare lo stesso campione da diverse angolazioni per ottenere un'immagine 3D più chiara. Kourkoutis prevede di utilizzare queste tecniche in collaborazione con il nuovo Cornell Center for the Physics of Cancer Metabolism, guardando come il cancro progredisce da cellula a cellula.

I ricercatori hanno testato il loro primo EMPAD installandolo in una porta di riserva in un microscopio FEI all'avanguardia. Il prototipo viene utilizzato in modo intensivo per esperimenti nel Cornell Center for Materials Research.