Gli scienziati dell'Ernst Ruska-Centre di Forschungszentrum Jülich hanno utilizzato un microscopio elettronico a trasmissione per registrare quasi 3500 immagini in 3,5 secondi per la ricostruzione di un tomogramma elettronico 3D. In precedenza, Per registrare tali sequenze di immagini erano necessari da 10 a 60 minuti e una dose di elettroni dieci volte maggiore. La nuova capacità è particolarmente adatta per l'esame di cellule biologiche, batteri e virus, la cui struttura può essere danneggiata dal fascio di elettroni. Inoltre, consente processi dinamici, quali reazioni chimiche e fenomeni di commutazione elettronica, da visualizzare in tempo reale in tre dimensioni con precisione sub-nanometrica. I risultati sono stati pubblicati sulla rivista Rapporti scientifici .

La tomografia elettronica è correlata alla tomografia computerizzata, che è diventato indispensabile nella ricerca e negli studi clinici. I tomogrammi elettronici possono essere ottenuti da volumi molto più piccoli rispetto alle tecniche basate sui raggi X. La risoluzione spaziale tridimensionale della tomografia elettronica è la più alta ottenibile con la tecnologia odierna. Il metodo è particolarmente adatto per studiare virus e batteri per facilitare lo sviluppo di farmaci, o per l'imaging delle strutture di nuovi nanomateriali per applicazioni che vanno dalla nanoelettronica alla tecnologia energetica.

"La capacità di accelerare l'acquisizione delle immagini e ridurre la dose di radiazioni apre nuovi orizzonti, in particolare nelle scienze della vita e nella ricerca sulla materia soffice, mediante tomografia elettronica, " dice il Prof. Rafal Dunin-Borkowski. In questa tecnica, un microscopio elettronico a trasmissione viene utilizzato per registrare immagini di una regione di dimensioni sub-micrometriche da diverse angolazioni in rapida successione.

"Le singole immagini non mostrano sezioni trasversali del campione. Invece, le informazioni provenienti da diverse profondità al suo interno vengono sovrapposte - simile a un'immagine a raggi X - e proiettate su un piano, " spiega il direttore dell'Ernst Ruska-Centre, che è anche direttore dell'Istituto per la ricerca sulle microstrutture (PGI-5) presso l'Istituto Peter Grünberg di Jülich. Per questa ragione, sono necessari algoritmi affinché un computer calcoli una ricostruzione tridimensionale dell'oggetto dalla serie di immagini.

La risoluzione ottenibile è limitata dall'effetto distruttivo del fascio di elettroni sul campione. Morbido, campioni biologici, in particolare, tollera solo un numero limitato di immagini. Le loro strutture sensibili, ad esempio quelli delle proteine, vengono rapidamente distrutti da elettroni ad alta energia. Per ridurre la dose di elettroni, i ricercatori dell'Ernst Ruska-Centre hanno dotato il loro microscopio elettronico di un nuovo rivelatore. Questa singola telecamera di rilevamento degli elettroni registra direttamente gli elettroni in ingresso, senza bisogno di convertirli in fotoni, cioè luce - la pratica abituale oggi.

"L'ultima generazione di chip rivelatori ha una sensibilità molto elevata, il che significa che per la stessa qualità dell'immagine è sufficiente una dose di fascio di elettroni da due a tre volte inferiore, " spiega il dottor Vadim Migunov, dall'Ernst Ruska-Centre e dall'Istituto Peter Grünberg di Jülich. I suoi colleghi dell'Istituto centrale di ingegneria di Jülich, Electronics and Analytics (ZEA-2) ha contribuito a sviluppare l'elettronica nel chip, che garantisce un'elevata velocità di lettura dei dati e quindi velocità di registrazione estremamente elevate.

Primi test con nanotubi e catalizzatori

Per testare la tecnica migliorata, Vadim Migunov, insieme ai suoi colleghi dell'Ernst Ruska-Centre, ha esaminato un nanotubo di lantanide inorganico utilizzando il nuovo sensore. Tali strutture sono attualmente di interesse perché possono essere adatte per la generazione di elettricità dal calore di scarto o come nuove fonti di luce e catalizzatori. Con una velocità di registrazione di circa 1000 immagini al secondo, La tomografia elettronica può ora essere utilizzata per osservazioni su nanoscala di processi veloci come reazioni chimiche che coinvolgono catalizzatori, processi di crescita dei cristalli o transizioni di fase, " spiega Vadim Migunov.

Gli studi con una migliore risoluzione temporale e spaziale potrebbero aiutare a rivelare perché la funzionalità del nanocatalizzatore si perde nel tempo. Le nanoparticelle catalizzatrici possono essere utilizzate per produrre idrogeno e separare i gas serra nocivi. La loro efficienza dipende prevalentemente da come sono disposti gli atomi sulle superfici su cui avvengono le reazioni chimiche.

La nuova tecnica ha ulteriori vantaggi. Sono necessari solo pochi secondi di tempo di calcolo per registrare e ricostruire la struttura tridimensionale di un campione su un computer. Il tempo necessario è quindi molto breve e gli scienziati possono osservare esperimenti non solo in 3D ma anche quasi "dal vivo".