Al loro centro, i microscopi elettronici funzionano molto come i proiettori cinematografici. Un raggio ad alta potenza passa attraverso un materiale e proietta qualcosa, di solito qualcosa che vogliamo davvero vedere, su uno schermo dall'altra parte. Con la maggior parte dei microscopi elettronici, però, acquisire dati è come provare a proiettare un film su uno schermo sporco che è troppo piccolo per vedere l'intera proiezione. Ma una nuova tecnologia fotografica, testato dai ricercatori della Drexel University, sta consentendo ai microscopi di presentare una visione più chiara, sguardo più completo e dettagliato alla loro presentazione in primo piano.

Utilizzando una telecamera a rilevamento diretto e un filtro immagine, il gruppo ha scoperto che può ottenere un'immagine più nitida della struttura chimica e della composizione, e per ottenere questi dati abbastanza rapidamente. È anche abbastanza sensibile da far funzionare il microscopio in un modo che consente agli scienziati di studiare fragili, campioni biologici senza danneggiarli. Drexel è il primo a combinare l'uso di queste tecnologie per fornire ai ricercatori una dettagliata, uno sguardo chiaro ai meccanismi alla base delle reazioni chimiche e fisiche con la stessa rapidità con cui si verificano.

Il gruppo, guidato da Mitra Taheri, dottorato di ricerca, Professore associato di Hoeganaes presso il Drexel's College of Engineering e direttore del Dynamic Characterization Group nel dipartimento di scienza e ingegneria dei materiali, ha recentemente pubblicato i risultati di un test affiancato di una telecamera a rilevamento diretto di nuova concezione e una telecamera a rilevamento indiretto convenzionale, entrambi sviluppati da Gatan. Il loro pezzo sul diario Rapporti scientifici sulla natura , suggerisce che l'applicazione di un sensore di rilevamento diretto alla spettroscopia di perdita di energia degli elettroni standard (EELS) migliorerà notevolmente la capacità degli scienziati di studiare la struttura e la chimica di un materiale a livello nanometrico

"ELS è una tecnica popolare che esiste da un po' di tempo, però, il rumore presente in EELS è un grosso problema, "Secondo Jamie Hart, un ricercatore di dottorato e coautore del documento. "Applicando il rilevamento diretto a EELS, possiamo ridurre notevolmente il rumore sperimentale, che migliorerà l'osservazione in tempo reale dei processi dinamici, come il monitoraggio del movimento degli ioni di litio nelle batterie agli ioni di litio, e aiuterà lo studio di materiali sensibili, come materia biologica."

In realtà qualsiasi confronto tra un microscopio elettronico e un proiettore cinematografico termina sostanzialmente con il pulsante "on". Piuttosto che spingere la luce attraverso la pellicola, i microscopi elettronici sparano un fascio di elettroni carichi attraverso il materiale del campione in esame. Passano attraverso il materiale e vengono registrati da una telecamera. L'interpretazione della fotocamera del viaggio degli elettroni può dire molto ai ricercatori sul materiale. Alcuni elettroni passano attraverso il materiale come se non fosse nemmeno lì. Alcuni passano ma cambiano direzione. Altri passano, ma ora si muovono a una velocità diversa. Tutti questi comportamenti forniscono ai ricercatori indizi sulla composizione chimica del materiale e sulla struttura interna.

Quindi l'aggiunta di una fotocamera più sofisticata a un microscopio può fare una grande differenza nei dati che i ricercatori possono raccogliere.

Il laboratorio di Taheri è il primo ad utilizzare questo tipo di fotocamera, una telecamera a rilevamento diretto Gatan K2, con un microscopio a spettroscopia elettronica a perdita di energia (EELS), un tipo che trae le sue inferenze su un campione misurando quanta energia perdono gli elettroni quando lo attraversano. La tecnologia EELS viene in genere utilizzata dai ricercatori che cercano di determinare quali elementi sono presenti in un campione o la struttura chimica di un determinato elemento. Ma aggiungendo la telecamera di rilevamento diretto al sistema, Il team di Drexel può entrambi determinare quali elementi sono presenti e comprendere il legame chimico di ciascuno.

"Il rilevamento diretto fornisce dati con una risoluzione energetica più elevata, che ci aiuta a capire come gli atomi sono legati insieme, e fornisce un campo visivo più grande di energia, permettendoci di vedere più elementi contemporaneamente, "Ha detto Hart.

L'elevata sensibilità della nuova fotocamera significa che può sondare un materiale più delicatamente, esponendolo a una minore dose di elettroni, rispetto ad altri microscopi che emettono un raggio più potente attraverso il campione. A causa di ciò, può essere utilizzato per studiare campioni più fragili come virus e batteri.

"L'utilizzo del sensore di rilevamento diretto a basso rumore ridurrà sostanzialmente il numero di elettroni necessari per l'analisi di un fattore di 2-5, per campioni biologici che vengono facilmente distrutti sotto il fascio di elettroni, questo fa una grande differenza. Anche, se vogliamo vedere qualche reazione veloce, questo ci consente di passare a frame rate più elevati", ha affermato Hart.

Per farlo funzionare, Gatan ha dovuto sviluppare una propria interfaccia software con EELS e un protocollo per il suo funzionamento, il che non è un compito da poco considerando che il dispositivo acquisisce fino a 1, 600 fotogrammi al secondo, che equivale a circa 2 gigabyte di dati, e funziona così caldo che ha bisogno di una costante circolazione d'acqua per mantenerlo fresco.

"Una delle maggiori sfide con la raccolta di dati con frame rate elevato è l'archiviazione e l'elaborazione. Al minimo del K2, sta generando 400 immagini al secondo, ognuno è di 16 milioni di pixel, e tutto si somma, " ha detto Andrew Lang, un ricercatore di dottorato nel laboratorio di Taheri. "Il nostro server rack è in grado di gestire più di 3 gigabyte al secondo di dati con alcuni degli array di unità a stato solido più veloci oggi disponibili".

Ma tutto questo sforzo ne vale la pena, secondo la squadra, quando puoi raccogliere una risoluzione più alta, dati più puliti in un periodo di tempo più breve rispetto all'utilizzo di una fotocamera convenzionale. Il team sta attualmente utilizzando il K2 per esaminare i materiali in fase di sviluppo per componenti di computer, accumulo di energia e schermatura elettromagnetica, e suggeriscono che potrebbe essere utilizzato anche per studiare virus e batteri.