Designer di chip per computer, scienziati dei materiali, biologi e altri scienziati ora hanno un livello di accesso senza precedenti al mondo dei materiali su scala nanometrica grazie al software di visualizzazione 3D che si collega direttamente a un microscopio elettronico, consentendo ai ricercatori di vedere e manipolare visualizzazioni 3D di nanomateriali in tempo reale .

Sviluppate da un team di ingegneri e sviluppatori di software guidato dall'Università del Michigan, le funzionalità sono incluse in una nuova versione beta di tomviz, uno strumento di visualizzazione di dati 3D open source già utilizzato da decine di migliaia di ricercatori. La nuova versione reinventa il processo di visualizzazione, consentendo di passare da campioni di microscopio a visualizzazioni 3D in pochi minuti anziché in giorni.

Oltre a generare risultati più rapidamente, le nuove capacità consentono ai ricercatori di vedere e manipolare le visualizzazioni 3D durante un esperimento in corso. Ciò potrebbe accelerare notevolmente la ricerca in campi come i microprocessori, le batterie dei veicoli elettrici, i materiali leggeri e molti altri.

"È stato un sogno di lunga data dell'industria dei semiconduttori, ad esempio, poter eseguire la tomografia in un giorno, e qui l'abbiamo ridotto a meno di un'ora", ha affermato Robert Hovden, assistente professore di scienze dei materiali e engineering presso la U-M e corrispondente autore dell'articolo, pubblicato su Nature Communications . "Puoi iniziare a interpretare e fare scienza prima ancora di aver finito con un esperimento."

Hovden spiega che il nuovo software estrae i dati direttamente da un microscopio elettronico mentre viene creato e visualizza immediatamente i risultati, un cambiamento fondamentale rispetto alle versioni precedenti di tomviz. In passato, i ricercatori hanno raccolto dati dal microscopio elettronico, che acquisisce centinaia di immagini di proiezione bidimensionale di un nanomateriale da diverse angolazioni. Successivamente, hanno riportato le proiezioni in laboratorio per interpretarle e prepararle prima di inviarle a Tomviz, operazione che avrebbe richiesto diverse ore per generare una visualizzazione 3D di un oggetto. L'intero processo richiedeva da giorni a una settimana e un problema con una fase del processo spesso significava ricominciare da capo.

La nuova versione di Tomviz esegue l'interpretazione e l'elaborazione sul posto. I ricercatori ottengono un rendering 3D oscuro ma utile in pochi minuti, che migliora gradualmente in una visualizzazione dettagliata.

"Quando lavori in un mondo invisibile come i nanomateriali, non sai mai veramente cosa troverai finché non inizi a vederlo", ha detto Hovden. "Quindi la capacità di iniziare a interpretare e apportare modifiche mentre sei ancora al microscopio fa un'enorme differenza nel processo di ricerca."

L'assoluta velocità del nuovo processo potrebbe essere utile anche nell'industria:i produttori di chip per semiconduttori, ad esempio, potrebbero utilizzare la tomografia per eseguire test su nuovi progetti di chip, alla ricerca di guasti nei circuiti tridimensionali su nanoscala troppo piccoli per essere visti. In passato, il processo di tomografia era troppo lento per eseguire le centinaia di test richiesti in una struttura commerciale, ma Hovden crede che Tomviz potrebbe cambiarlo.

Hovden sottolinea che Tomviz può essere eseguito su un laptop standard di livello consumer. Può connettersi a modelli più o meno recenti di microscopi elettronici. E poiché è open-source, il software stesso è accessibile a tutti.

"Il software open source è un ottimo strumento per potenziare la scienza a livello globale. Abbiamo reso il collegamento tra tomviz e il microscopio agnostico per il produttore del microscopio", ha affermato Hovden. "E poiché il software esamina solo i dati del microscopio, non importa se quel microscopio è l'ultimo modello di UM o una macchina di vent'anni."

Per sviluppare le nuove capacità, il team di U-M ha attinto alla sua partnership di lunga data con lo sviluppatore di software Kitware e ha anche coinvolto un team di scienziati che lavorano all'intersezione tra scienza dei dati, scienza dei materiali e microscopia.

All'inizio del processo, Hovden ha collaborato con Marcus Hanwell di Kitware e Brookhaven National Laboratory per perfezionare l'idea di una versione di tomviz che consentisse la visualizzazione e la sperimentazione in tempo reale. Successivamente, gli sviluppatori di Hovden e Kitware hanno collaborato con il ricercatore laureato in ingegneria e scienze dei materiali UM Jonathan Schwartz, il ricercatore in microscopia Yi Jiang e l'esperto di apprendimento automatico e scienze dei materiali Huihuo Zheng, entrambi dell'Argonne National Laboratory, per costruire algoritmi in grado di trasformare rapidamente e accuratamente le immagini di microscopia elettronica in visualizzazioni 3D.

Una volta completati gli algoritmi, il professore Cornell di fisica applicata e ingegneristica David Muller e Peter Ericus, uno scienziato del personale presso la Molecular Foundry del Berkeley Lab, hanno collaborato con Hovden per progettare un'interfaccia utente che supportasse le nuove funzionalità.

Infine, Hovden ha collaborato con il professore di scienze dei materiali e ingegneria Nicholas Kotov, il data scientist universitario Jacob Pietryga, la ricercatrice sulle biointerfacce Anastasiia Visheratina e la ricercatrice di ingegneria chimica Prashant Kumar, tutti alla UM, per sintetizzare una nanoparticella che potrebbe essere utilizzata per i test nel mondo reale delle nuove capacità, sia per garantirne l'accuratezza che per mostrare le proprie capacità. Si stabilirono su una nanoparticella a forma di elica, larga circa 100 nanometri e lunga 500 nanometri. La nuova versione di Tomviz ha funzionato come previsto; in pochi minuti, ha generato un'immagine oscura ma sufficientemente dettagliata da consentire ai ricercatori di distinguere dettagli chiave come il modo in cui le nanoparticelle si attorcigliano, noto come chiralità. Circa 30 minuti dopo, le ombre si sono risolte in una visualizzazione tridimensionale dettagliata.

Il codice sorgente per la nuova versione beta di tomviz è disponibile gratuitamente per il download su GitHub. Hovden crede che aprirà nuove possibilità a campi che vanno oltre la ricerca sui materiali; campi come la biologia sono anche pronti a trarre vantaggio dall'accesso alla tomografia elettronica in tempo reale. Spera inoltre che l'approccio "software come scienza" del progetto stimolerà nuove innovazioni nei campi della scienza e dello sviluppo del software.

"Abbiamo davvero un approccio interdisciplinare alla ricerca all'intersezione tra informatica, scienza dei materiali, fisica, chimica", ha affermato Hovden. "Una cosa è creare algoritmi davvero interessanti che solo tu e i tuoi studenti laureati sapete come utilizzare. Un'altra è se potete consentire ai laboratori di tutto il mondo di fare queste cose all'avanguardia."

I collaboratori di Kitware al progetto sono stati Chris Harris, Brainna Major, Patrick Avery, Utkarsh Ayachit, Berk Geveci, Alessandro Genova e Hanwell. Kotov è anche Irving Langmuir Distinguished University Professor of Chemical Sciences and Engineering, Joseph B. e Florence V. Cejka Professor of Engineering e professore di ingegneria chimica e scienze e ingegneria macromolecolari.

"Sono entusiasta di tutte le nuove scoperte scientifiche e visualizzazioni 3D che usciranno dalla comunità della scienza dei materiali e della microscopia con il nostro nuovo framework per la tomografia in tempo reale", ha affermato Schwartz. + Esplora ulteriormente

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