Los electrones pueden ampliar nuestra visión de los objetos microscópicos más allá de lo que es posible con la luz visible, hasta la escala atómica. Un método popular en microscopía electrónica para observar materiales resistentes y resistentes con detalles atómicos se llama STEM, o transmisión de exploraciónmicroscopía electrónica, pero el haz de electrones altamente enfocado utilizado en STEM también puede destruir fácilmente muestras delicadas.
Esta es la razón por la cual el uso de electrones para obtener imágenes de compuestos biológicos u otros compuestos orgánicos, como las mezclas químicas que incluyen litio, un metal ligero que es un elemento popular en la investigación de baterías de próxima generación, requiere una dosis de electrones muy baja.
Los científicos del Laboratorio Nacional Lawrence Berkeley del Departamento de Energía Berkeley Lab han desarrollado una nueva técnica de imagen, probada en muestras de oro y carbono a nanoescala, que mejora en gran medida las imágenes de elementos ligeros utilizando menos electrones.
La técnica recientemente demostrada, denominada MIDI-STEM, para iluminación coincidente y STEM de interferometría de detector, combina STEM con un dispositivo óptico llamado placa de fase que modifica las propiedades alternantes de onda a pico a valle llamada fase deel haz de electrones
Esta placa de fase modifica el haz de electrones de una manera que permite medir cambios sutiles en un material, incluso revelando materiales que serían invisibles en las imágenes STEM tradicionales.
Otro método basado en electrones, que los investigadores usan para determinar la estructura detallada de muestras biológicas delicadas y congeladas, se llama microscopía crioelectrónica, o crio-EM. Si bien la crio-EM de una sola partícula es una herramienta poderosa, fuenombrado como revista científica Naturaleza Método del año 2015: por lo general, requiere tomar un promedio de muchas muestras idénticas para ser efectivo. Cryo-EM generalmente no es útil para estudiar muestras con una mezcla de elementos pesados por ejemplo, la mayoría de los tipos de metalesy elementos ligeros como oxígeno y carbono.
"El método MIDI-STEM brinda esperanza para ver estructuras con una mezcla de elementos pesados y ligeros, incluso cuando están agrupadas", dijo Colin Ophus, científico del proyecto de la Fundición Molecular de Berkeley Lab y autor principal de un estudio,publicado el 29 de febrero en Comunicaciones de la naturaleza , que detalla este método
Si toma una nanopartícula de elemento pesado y agrega moléculas para darle una función específica, las técnicas convencionales no proporcionan una manera fácil y clara de ver las áreas donde se encuentran la nanopartícula y las moléculas agregadas.
"¿Cómo están alineados? ¿Cómo están orientados?", Preguntó Ophus. "Hay tantas preguntas sobre estos sistemas, y debido a que no había una forma de verlos, no pudimos responderlos directamente".
Si bien STEM tradicional es eficaz para muestras "duras" que pueden resistir haces de electrones intensos, y cryo-EM puede obtener imágenes biológicas de las muestras, "Podemos hacer ambas cosas a la vez" con la técnica MIDI-STEM, dijo Peter Ercius, unCientífico del personal de Berkeley Lab en Molecular Foundry y coautor del estudio.
La placa de fase en la técnica MIDI-STEM permite una medición directa de la fase de los electrones que están débilmente dispersos a medida que interactúan con los elementos de luz en la muestra. Estas mediciones se utilizan para construir las llamadas imágenes de contraste de fase deelementos. Sin esta información de fase, las imágenes de alta resolución de estos elementos no serían posibles.
En este estudio, los investigadores combinaron tecnología de placa de fase con uno de los STEM de mayor resolución del mundo, en la Fundición Molecular de Berkeley Lab, y un detector de electrones de alta velocidad.
Produjeron imágenes de muestras de nanopartículas de oro cristalino, que midieron varios nanómetros de ancho, y la película súper delgada de carbono amorfo en el que se asentaron las partículas. También realizaron simulaciones por computadora que validaron lo que vieron en el experimento.
La tecnología de placa de fase se desarrolló como parte de una subvención de Investigación y Desarrollo Dirigida por el Laboratorio Berkeley Lab en colaboración con Ben McMorran de la Universidad de Oregon.
La técnica MIDI-STEM podría resultar particularmente útil para ver directamente objetos a nanoescala con una mezcla de materiales pesados y ligeros, como algunas baterías y materiales de recolección de energía, que de otro modo serían difíciles de ver juntos con resolución atómica.
También podría ser útil para revelar nuevos detalles sobre proteínas bidimensionales importantes, llamadas proteínas de capa S, que podrían servir de base para nanoestructuras de ingeniería, pero son difíciles de estudiar en detalle atómico utilizando otras técnicas.
En el futuro, un detector de electrones más rápido y sensible podría permitir a los investigadores estudiar muestras aún más delicadas con una resolución mejorada al exponerlas a menos electrones por imagen.
"Si puede reducir la dosis de electrones, puede inclinar las muestras sensibles al haz en muchas orientaciones y reconstruir la muestra en 3-D, como una tomografía computarizada médica. También hay problemas de datos que deben abordarse", dijo Ercius,ya que los detectores más rápidos generarán grandes cantidades de datos. Otro objetivo es hacer que la técnica sea más "plug-and-play", de modo que sea ampliamente accesible para otros científicos.
La Fundición Molecular de Berkeley Lab es una instalación de usuarios de la Oficina de Ciencia del DOE. Investigadores de la Universidad de Oregon, Gatan Inc. y la Universidad de Ulm en Alemania también participaron en el estudio.
Fuente de la historia :
Materiales proporcionado por DOE / Laboratorio Nacional Lawrence Berkeley . Original escrito por Glenn Roberts Jr .. Nota: El contenido puede ser editado por estilo y longitud.
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