I ricercatori dell'Università dell'Illinois a Urbana-Champaign hanno dimostrato per la prima volta che non sono più necessari costosi microscopi con correzione delle aberrazioni per ottenere una risoluzione microscopica da record.

Il campo della microscopia è nel mezzo di una grande rivoluzione. Dal 1800 e dall'invenzione del microscopio ottico composto, ci sono stati solo alcuni importanti balzi nella risoluzione per vedere diverse scale di lunghezza:da batteri e cellule, a virus e proteine, e persino fino ai singoli atomi.

In generale, man mano che la risoluzione ha fatto questi incredibili salti, anche il prezzo dei microscopi utilizzati per raggiungere quella risoluzione è aumentato. Prezzi così elevati limitano gravemente l’accessibilità di questi strumenti. L'attuale salto di risoluzione deriva da una nuova tecnica chiamata pitcografia elettronica, un metodo che utilizza il calcolo per aumentare la risoluzione dei microscopi elettronici, che ha preso d'assalto il campo negli ultimi 5-6 anni.

I ricercatori dell'Università dell'Illinois Urbana-Champaign hanno dimostrato una risoluzione da record utilizzando la pitcografia elettronica su microscopi elettronici a trasmissione "convenzionali" (significato convenzionale senza costosi correttori di aberrazione). Ciò interrompe la tendenza ad aumentare il prezzo del microscopio con l'aumentare della risoluzione. Sono stati in grado di raggiungere una risoluzione spaziale profonda sub-angstrom fino a 0,44 angstrom (un angstrom è un decimiliardesimo di metro), che supera la risoluzione degli strumenti con correzione dell'aberrazione e rivaleggia con le loro risoluzioni psicografiche più elevate.

"Negli ultimi 90-100 anni, il nostro campo ha pensato che il modo per ottenere risultati eccellenti nella microscopia fosse creare microscopi sempre migliori", afferma Pinshane Huang, professore di scienza e ingegneria dei materiali, che ha guidato questo lavoro. "La cosa più entusiasmante della nostra ricerca è che stiamo dimostrando che non è necessario un microscopio all'avanguardia per fare questo lavoro. Possiamo prendere un microscopio 'convenzionale' e fare la stessa cosa, usando la pitcografia, ed è semplicemente altrettanto buono! Questo è sorprendente perché può esserci una differenza di costo di molti milioni di dollari tra le due configurazioni."

Questa ricerca, scritta per la prima volta dall'ex ricercatrice post-dottorato MatSE UIUC Kayla Nguyen, dall'ex studente laureato MatSE UIUC Chia-Hao Lee e dallo scienziato dello staff dell'Argonne National Laboratory Yi Jiang, è stata recentemente pubblicata sulla rivista Science .

Prima della pitcografia, i microscopi elettronici a più alta risoluzione utilizzavano una tecnologia chiamata correzione dell’aberrazione per consentire agli scienziati di vedere i singoli atomi. Invece di utilizzare un raggio di luce per sondare un campione, i microscopi elettronici utilizzano un raggio di elettroni, focalizzato da elettromagneti.

Gli elettroni hanno lunghezze d'onda migliaia di volte più piccole della luce visibile, il che consente ai microscopi elettronici di risolvere oggetti che sono molte volte più piccoli di quelli visibili con i microscopi ottici. Gli scienziati utilizzano questi microscopi per decodificare le strutture di oggetti che vanno dalla proteina spike del virus COVID-19 alla disposizione degli atomi nel grafene e, più in generale, per scrutare all'interno della materia per comprenderne la struttura atomica, la composizione e i legami.

Tuttavia, una delle sfide legate all’utilizzo di fasci di elettroni è la focalizzazione del raggio. "È impossibile realizzare una lente perfetta per gli elettroni", afferma Huang. "Ciò che le persone fanno per compensare è creare lenti "cattive" e poi applicare dei correttori di aberrazione, che sono una serie di lenti "cattive" che sono "cattive" in modi opposti. Sommati insieme, creano lenti "buone" , e questo è stato il gold standard per il modo in cui immaginiamo su scala atomica per almeno 20 anni."

In ottica, un'aberrazione è qualsiasi modo in cui una lente si discosta da una lente perfetta. Ad esempio, gli occhi umani possono presentare diversi tipi di aberrazioni come la miopia e la miopia (gli occhi non riescono a mettere a fuoco a tutte le distanze) e l'astigmatismo (curvatura del bulbo oculare che causa una visione offuscata).

Lee spiega:"Per le lenti elettromagnetiche, il modo per focalizzare questi elettroni è attraverso un campo elettromagnetico. Ma non disponiamo di un ottimo modo per controllare la forma e la forza del campo elettromagnetico, il che pone una limitazione molto forte sulla precisione possiamo focalizzare questi elettroni."

Nella microscopia con correzione delle aberrazioni, l'attuale tecnologia all'avanguardia, è presente una serie aggiuntiva di lenti per correggere le aberrazioni delle lenti normali, che modifica la forma del raggio prima che colpisca il campione. Queste lenti extra per la correzione delle aberrazioni sono il punto in cui si aggiungono costi significativi al microscopio.

Sebbene sia impossibile realizzare un obiettivo perfetto, l'obiettivo degli ultimi 100 anni è stato quello di realizzare obiettivi continuamente migliori per ridurre al minimo le aberrazioni. Ma Huang dice:"La cosa interessante della pitcografia è che non è necessario creare obiettivi sempre migliori. Quello che possiamo fare invece è usare i computer."

Invece di utilizzare una serie di lenti ottiche per rimuovere le aberrazioni, la pitcografia le rimuove computazionalmente. Con una nuova generazione di rilevatori, chiamati rilevatori di pixel ibridi, che costano poche centinaia di migliaia di dollari (rispetto ai microscopi con correzione dell’aberrazione che costano fino a 7 milioni di dollari) e algoritmi informatici, questo metodo può raddoppiare, triplicare o addirittura quadruplicare la risoluzione di ciò che un microscopio può raggiungere con le sue lenti fisiche.

Huang e il suo team hanno dimostrato che il loro approccio quadruplica la risoluzione dei microscopi elettronici a trasmissione convenzionali. Inoltre, quasi tutti i microscopi elettronici a trasmissione e scansione possono ora essere adattati per ottenere una risoluzione all'avanguardia a una frazione del costo.

Anche se questo approccio cambia le regole del gioco, Huang osserva che la pitcografia è ancora una tecnica impegnativa che richiede molta potenza di calcolo. Possono essere necessarie ore per ottenere una singola ricostruzione per raggiungere la migliore risoluzione. Ma, come con molte altre tecnologie, il calcolo avanza abbastanza rapidamente e diventa più economico, più veloce e più facile da usare.

"Abbiamo introdotto una tecnica all'avanguardia, la pitcografia elettronica, nei microscopi elettronici a trasmissione convenzionali per dimostrare per la prima volta che un microscopio 'mediocre' può funzionare altrettanto bene dei microscopi più costosi sul mercato", afferma Huang.

"Ciò è significativo per le centinaia di istituzioni in tutto il paese e in tutto il mondo che prima non potevano permettersi l'avanguardia. Ora, tutto ciò di cui hanno bisogno è un rilevatore, alcuni computer e una pittografia elettronica. E una volta fatto questo, puoi vedere il mondo atomico con molti più dettagli di quanto chiunque immaginasse anche 10 anni fa. Ciò rappresenta un enorme cambiamento di paradigma."

Ulteriori informazioni: Kayla X. Nguyen et al, Come ottenere una pitcografia con risoluzione inferiore a 0,5 angstrom in un microscopio elettronico non corretto, Scienza (2024). DOI:10.1126/science.adl2029

Fornito dall'Università dell'Illinois Grainger College of Engineering