Gli elettroni possono estendere la nostra visione di oggetti microscopici ben oltre ciò che è possibile con la luce visibile, fino alla scala atomica. Un metodo popolare in microscopia elettronica per guardare duro, materiali resilienti in dettaglio atomico si chiama STEM, o microscopia elettronica a trasmissione a scansione, ma il fascio di elettroni altamente focalizzato utilizzato nello STEM può anche distruggere facilmente campioni delicati.

Questo è il motivo per cui l'utilizzo di elettroni per l'immagine di composti biologici o altri composti organici, come le miscele chimiche che includono il litio, un metallo leggero che è un elemento popolare nella ricerca sulle batterie di nuova generazione, richiede una dose di elettroni molto bassa.

Gli scienziati del Lawrence Berkeley National Laboratory (Berkeley Lab) del Department of Energy hanno sviluppato una nuova tecnica di imaging, testato su campioni di oro e carbonio su scala nanometrica, che migliora notevolmente le immagini degli elementi leggeri utilizzando meno elettroni.

La nuova tecnica dimostrata, soprannominato MIDI-STEM, per illuminazione abbinata e interferometria del rivelatore STEM, combina STEM con un dispositivo ottico chiamato piastra di fase che modifica l'alternanza picco-depressione, proprietà ondulatorie (chiamate fase) del fascio di elettroni.

Questa piastra di fase modifica il fascio di elettroni in un modo che consente di misurare sottili cambiamenti in un materiale, rivelando anche materiali che sarebbero invisibili nell'imaging STEM tradizionale.

Un altro metodo basato su elettroni, che i ricercatori usano per determinare la struttura dettagliata di delicati, campioni biologici congelati, si chiama criomicroscopia elettronica, o crio-EM. Sebbene la crio-EM a particella singola sia uno strumento potente, è stata nominata rivista scientifica Natura 's 2015 Method of the Year:in genere richiede di prendere una media su molti campioni identici per essere efficace. Cryo-EM non è generalmente utile per studiare campioni con una miscela di elementi pesanti (ad esempio, la maggior parte dei metalli) ed elementi leggeri come ossigeno e carbonio.

"Il metodo MIDI-STEM offre la speranza di vedere strutture con una miscela di elementi pesanti e leggeri, anche quando sono ammassati insieme, " ha detto Colin Ophus, uno scienziato del progetto presso la fonderia molecolare del Berkeley Lab e autore principale di uno studio, pubblicato il 29 febbraio in Comunicazioni sulla natura , che dettaglia questo metodo.

Se prendi una nanoparticella di elementi pesanti e aggiungi molecole per darle una funzione specifica, le tecniche convenzionali non forniscono un facile, modo chiaro per vedere le aree in cui si incontrano la nanoparticella e le molecole aggiunte.

"Come sono allineati? Come sono orientati?" chiese Opus. "Ci sono così tante domande su questi sistemi, e siccome non c'era modo di vederli, non siamo riusciti a rispondere direttamente a loro."

Mentre lo STEM tradizionale è efficace per campioni "duri" che possono resistere a fasci di elettroni intensi, e il cryo-EM può visualizzare campioni biologici, "Possiamo fare entrambe le cose in una volta" con la tecnica MIDI-STEM, disse Pietro Ercio, uno scienziato dello staff del Berkeley Lab presso la Molecular Foundry e coautore dello studio.

La piastra di fase nella tecnica MIDI-STEM consente una misura diretta della fase degli elettroni che sono debolmente dispersi mentre interagiscono con gli elementi leggeri nel campione. Queste misurazioni vengono quindi utilizzate per costruire le cosiddette immagini a contrasto di fase degli elementi. Senza questa informazione di fase, le immagini ad alta risoluzione di questi elementi non sarebbero possibili.

In questo studio, i ricercatori hanno combinato la tecnologia delle piastre di fase con uno degli STEM a più alta risoluzione al mondo, presso la fonderia molecolare di Berkeley Lab, e un rivelatore di elettroni ad alta velocità.

Hanno prodotto immagini di campioni di nanoparticelle di oro cristallino, che misurava diversi nanometri di diametro, e la pellicola supersottile di carbonio amorfo su cui si depositavano le particelle. Hanno anche eseguito simulazioni al computer che hanno convalidato ciò che hanno visto nell'esperimento.

La tecnologia della piastra di fase è stata sviluppata come parte di una borsa di ricerca e sviluppo diretta dal laboratorio del Berkeley Lab in collaborazione con Ben McMorran dell'Università dell'Oregon.

The MIDI-STEM technique could prove particularly useful for directly viewing nanoscale objects with a mixture of heavy and light materials, such as some battery and energy-harvesting materials, that are otherwise difficult to view together at atomic resolution.

It also might be useful in revealing new details about important two-dimensional proteins, called S-layer proteins, that could serve as foundations for engineered nanostructures but are challenging to study in atomic detail using other techniques.

Nel futuro, a faster, more sensitive electron detector could allow researchers to study even more delicate samples at improved resolution by exposing them to fewer electrons per image.

"If you can lower the electron dose you can tilt beam-sensitive samples into many orientations and reconstruct the sample in 3-D, like a medical CT scan. There are also data issues that need to be addressed, " Ercius said, as faster detectors will generate huge amounts of data. Another goal is to make the technique more "plug-and-play, " so it is broadly accessible to other scientists.