I ricercatori del National Institute of Standards and Technology (NIST) e i loro collaboratori hanno sviluppato un modo per adattare il microscopio elettronico a trasmissione, un cavallo di battaglia scientifico di lunga data per realizzare immagini microscopiche nitide, in modo che possa anche creare filmati di alta qualità di super -processi veloci su scala atomica e molecolare. Compatibile con microscopi elettronici vecchi e nuovi, il retrofit promette di consentire nuove intuizioni su tutto, dalle macchine microscopiche ai chip per computer di nuova generazione e ai tessuti biologici, rendendo questa capacità di produzione cinematografica più ampiamente disponibile per i laboratori di tutto il mondo.

"Vogliamo essere in grado di osservare le cose nella scienza dei materiali che accadono molto rapidamente, " ha detto la scienziata del NIST June Lau. Riporta la prima operazione di prova del concetto di questo design retrofit con i suoi colleghi sulla rivista Rassegna di strumenti scientifici . Il team ha progettato il retrofit per essere un'aggiunta conveniente agli strumenti esistenti. "Si prevede che sarà una frazione del costo di un nuovo microscopio elettronico, " lei disse.

Un'invenzione di quasi 100 anni fa, il microscopio elettronico rimane uno strumento essenziale in molti laboratori scientifici. Una versione popolare è conosciuta come il microscopio elettronico a trasmissione (TEM), che spara elettroni attraverso un campione bersaglio per produrre un'immagine. Le versioni moderne del microscopio possono ingrandire gli oggetti fino a 50 milioni di volte. I microscopi elettronici hanno aiutato a determinare la struttura dei virus, testare il funzionamento dei circuiti del computer, e rivelare l'efficacia di nuovi farmaci.

"I microscopi elettronici possono guardare cose molto piccole su scala atomica, " Ha detto Lau. "Sono grandi. Ma storicamente, guardano cose che sono fissate nel tempo. Non sono bravi a visualizzare bersagli in movimento, " lei disse.

Negli ultimi 15 anni, i microscopi elettronici assistiti dal laser hanno reso possibili i video, ma tali sistemi sono stati complessi e costosi. Sebbene queste configurazioni possano catturare eventi che durano da nanosecondi (miliardesimi di secondo) a femtosecondi (quadrilionesimi di secondo), un laboratorio deve spesso acquistare un microscopio più recente per ospitare questa capacità e un laser specializzato, con un investimento totale che può raggiungere i milioni di dollari. Un laboratorio ha anche bisogno di competenze interne di fisica del laser per aiutare a configurare e far funzionare un tale sistema.

"Francamente, non tutti hanno quella capacità, " ha detto Lau.

In contrasto, il retrofit consente ai TEM di qualsiasi età di realizzare filmati di alta qualità sulla scala dei picosecondi (trilionesimi di secondo) utilizzando un "beam chopper" relativamente semplice. In linea di principio, il beam chopper può essere utilizzato in TEM di qualsiasi produttore. Per installarlo, I ricercatori del NIST aprono la colonna del microscopio direttamente sotto la sorgente di elettroni, inserire il beam chopper e richiudere il microscopio. Lau e i suoi colleghi hanno adattato con successo tre TEM di diverse capacità e vintage.

Come uno stroboscopio, questo beam chopper rilascia impulsi di elettroni precisamente sincronizzati che possono catturare frame di importanti processi ripetuti o ciclici.

"Immagina una ruota panoramica, che si muove in modo ciclico e ripetibile, " Ha detto Lau. "Se lo stiamo registrando con una telecamera stenopeica, sembrerà sfocato. Ma vogliamo vedere le singole auto. Posso mettere un otturatore davanti alla fotocamera stenopeica in modo che la velocità dell'otturatore corrisponda al movimento della ruota. Possiamo programmare l'apertura dell'otturatore ogni volta che un'auto designata sale in cima. In questo modo posso creare una pila di immagini che mostrano ogni macchina in cima alla ruota panoramica, " lei disse.

Come l'otturatore leggero, il chopper di fascio interrompe un fascio di elettroni continuo. Ma a differenza dell'otturatore, che ha un'apertura che si apre e si chiude, questa apertura del raggio rimane sempre aperta, eliminando la necessità di una parte meccanica complessa.

Anziché, il chopper di fascio genera un'onda elettromagnetica a radiofrequenza (RF) nella direzione del fascio di elettroni. L'onda fa sì che gli elettroni in viaggio si comportino "come tappi di sughero che si muovono su e giù sulla superficie di un'onda d'acqua, " ha detto Lau.

Cavalcando quest'onda, gli elettroni seguono un percorso ondulato mentre si avvicinano all'apertura. La maggior parte degli elettroni è bloccata tranne quelli che sono perfettamente allineati con l'apertura. La frequenza dell'onda RF è sintonizzabile, in modo che gli elettroni colpiscano il campione da 40 milioni a 12 miliardi di volte al secondo. Di conseguenza, i ricercatori possono catturare processi importanti nel campione a intervalli di tempo da circa un nanosecondo a 10 picosecondi.

In questo modo, il microscopio adattato dal NIST può catturare dettagli su scala atomica dei movimenti avanti e indietro in macchine minuscole come i sistemi microelettromeccanici (MEMS) e i sistemi nanoelettromeccanici (NEMS). Può potenzialmente studiare i segnali che si ripetono regolarmente nelle antenne utilizzate per le comunicazioni ad alta velocità e sondare il movimento delle correnti elettriche nei processori di computer di prossima generazione.

In una dimostrazione, i ricercatori volevano dimostrare che un microscopio adattato funzionava come prima del retrofit. Hanno ripreso le nanoparticelle d'oro sia nella tradizionale modalità "continua" che nella modalità a fascio pulsato. Le immagini in modalità pulsata avevano una nitidezza e una risoluzione paragonabili alle immagini fisse.

"L'abbiamo progettato in modo che dovrebbe essere lo stesso, " ha detto Lau.

L'elicottero del fascio può anche fare il doppio dovere, pompare energia RF nel campione di materiale e quindi scattare foto dei risultati. I ricercatori hanno dimostrato questa capacità iniettando microonde (una forma di onde radio) in un oggetto metallico, dispositivo MEMS a forma di pettine. Le microonde creano campi elettrici all'interno del dispositivo MEMS e fanno deviare gli impulsi di elettroni in arrivo. Queste deviazioni di elettroni consentono ai ricercatori di creare filmati delle microonde che si propagano attraverso il pettine MEMS.

Lau e i suoi colleghi sperano che la loro invenzione possa presto fare nuove scoperte scientifiche. Per esempio, potrebbe studiare il comportamento dei campi magnetici che cambiano rapidamente in dispositivi di memoria su scala molecolare che promettono di memorizzare più informazioni rispetto a prima.

I ricercatori hanno trascorso sei anni a inventare e sviluppare il loro beam chopper e hanno ricevuto diversi brevetti e un premio R&D 100 per il loro lavoro. I coautori del lavoro includevano il Brookhaven National Laboratory a Upton, New York, e Euclid Techlabs a Bolingbrook, Illinois.

Una delle cose che rende Lau più orgoglioso è che il loro design può dare nuova vita a qualsiasi TEM, compresa l'unità di 25 anni che ha eseguito l'ultima dimostrazione. Il design del NIST offre ai laboratori di tutto il mondo la possibilità di utilizzare i propri microscopi per catturare importanti processi in rapido movimento nei materiali di domani.

"Democratizzare la scienza era l'intera motivazione, " ha detto Lau.