Comprendere la struttura microscopica di un materiale è la chiave per capire come funziona e le sue proprietà funzionali. I progressi in campi come la scienza dei materiali hanno spinto sempre più le capacità di determinare queste caratteristiche a risoluzioni ancora più elevate. Una tecnica per l'imaging a risoluzione su scala nanometrica, microscopia elettronica a trasmissione (TEM), è un esempio di tecnologia promettente in questo settore. Gli scienziati hanno recentemente trovato un modo per sfruttare la potenza del TEM per misurare la struttura di un materiale alla massima risoluzione possibile, determinando la posizione 3D di ogni singolo atomo.

Presentando il loro lavoro all'OSA Imaging and Applied Optics Congress 25-28 giugno, ad Orlando, Florida, STATI UNITI D'AMERICA, un team di ricercatori ha dimostrato una tecnica che utilizza la tomografia TEM per determinare le posizioni 3D degli atomi a forte dispersione. Attraverso la simulazione, il gruppo ha mostrato che è possibile ricostruire i potenziali atomici con risoluzione atomica utilizzando solo misure di intensità dell'immagine, e che è possibile farlo su molecole molto sensibili ai fasci di elettroni.

"La microscopia elettronica a trasmissione è ampiamente utilizzata sia nella scienza dei materiali che nella biologia, " ha detto Colin Ophus, Centro nazionale per la microscopia elettronica, Lawrence Berkeley National Lab, Berkeley, California, e un membro del gruppo di ricerca. "Poiché risolviamo completamente la propagazione non lineare del fascio di elettroni, il nostro metodo di ricostruzione tomografica consentirà una ricostruzione più quantitativa di campioni debolmente scattering, a una risoluzione più alta o addirittura atomica."

Simile al modo in cui le scansioni di tomografia computerizzata (TC) eseguite per l'imaging medico negli ospedali sono costruite utilizzando una serie di immagini in sezione trasversale bidimensionale con incrementi diversi, la tomografia elettronica costruisce un volume tridimensionale ruotando i campioni in modo incrementale, raccolta di immagini bidimensionali. Mentre la maggior parte delle immagini TC negli ospedali viene eseguita con i raggi X per determinare le caratteristiche di cose più grandi come le ossa, i fasci di elettroni utilizzati in TEM consentono ai ricercatori di guardare con una risoluzione significativamente maggiore, fino alla scala atomica.

"Però, su scala atomica non possiamo trascurare gli effetti quantomeccanici molto complessi del campione sul fascio di elettroni, " Ophus ha detto. "Questo significa nel nostro lavoro, dobbiamo usare un algoritmo molto più sofisticato per recuperare la struttura atomica rispetto a quelli utilizzati in una risonanza magnetica o in una TAC".

La configurazione TEM utilizzata dal gruppo ha misurato l'intensità di energia che colpisce il sensore del microscopio, che è proporzionale al numero di elettroni che colpiscono il sensore, un numero che dipende da come è configurato il fascio di elettroni per ogni esperimento. Utilizzando i dati di intensità, il nuovo algoritmo progettato dal gruppo ha cucito le immagini proiettate bidimensionali in un volume 3D.

Fare il salto in tre dimensioni con ampi campi visivi, però, può tassare i computer in modo esponenziale più che gestire singole immagini 2-D. Per ovviare a questo, hanno modificato il loro algoritmo per essere utilizzato su unità di elaborazione grafica (GPU), che può eseguire molte più operazioni matematiche in parallelo rispetto alle tipiche unità di elaborazione del computer (CPU).

"Siamo in grado di ottenere risultati in un tempo ragionevole per dimensioni realistiche del campione, " ha detto David Ren, un membro della squadra.

Con legami generalmente più deboli tra i loro atomi, le biomolecole possono essere notoriamente difficili da studiare usando TEM perché i fasci di elettroni usati per studiare una lega metallica, Per esempio, di solito fa a pezzi una biomolecola. Diminuendo il dosaggio di elettroni in un campione, anche se, può creare immagini così rumorose, altri algoritmi attualmente in uso non possono ricostruire un'immagine 3D. Grazie a un modello fisico più preciso, il nuovo algoritmo del team ha la capacità.

Ora che hanno sviluppato completamente l'algoritmo di ricostruzione, il team ha affermato di sperare di applicare ciò che hanno osservato dalle simulazioni ai dati sperimentali. Hanno in programma di rendere disponibili tutti i loro codici di ricostruzione come open source per la più ampia comunità di ricerca.