Investigadores del Instituto Nacional de Estándares y Tecnología NIST y sus colaboradores han desarrollado una forma de adaptar el microscopio electrónico de transmisión, un caballo de batalla científico de larga data para crear imágenes microscópicas nítidas, para que también pueda crearpelículas de calidad de procesos súper rápidos a escala atómica y molecular. Compatible con microscopios electrónicos antiguos y nuevos, la modificación promete permitir nuevas ideas sobre todo, desde máquinas microscópicas hasta chips de computadora de próxima generación y tejido biológico al hacer que esta capacidad de filmación sea más ampliadisponible para laboratorios en todas partes.
"Queremos poder ver las cosas en la ciencia de los materiales que suceden realmente rápido", dijo la científica del NIST June Lau. Ella informa sobre la primera operación de prueba de concepto de este diseño actualizado con sus colegas en la revista Revisión de instrumentos científicos . El equipo diseñó la actualización para que sea un complemento rentable para los instrumentos existentes. "Se espera que sea una fracción del costo de un nuevo microscopio electrónico", dijo.
Una invención de casi 100 años de antigüedad, el microscopio electrónico sigue siendo una herramienta esencial en muchos laboratorios científicos. Una versión popular se conoce como microscopio electrónico de transmisión TEM, que dispara electrones a través de una muestra objetivo para producir una imagen. ModernoLas versiones del microscopio pueden aumentar los objetos hasta 50 millones de veces. Los microscopios electrónicos han ayudado a determinar la estructura de los virus, probar el funcionamiento de los circuitos de la computadora y revelar la efectividad de los nuevos medicamentos.
"Los microscopios electrónicos pueden ver cosas muy pequeñas en la escala atómica", dijo Lau. "Son geniales. Pero históricamente, miran cosas que están fijadas en el tiempo. No son buenas para ver objetivos en movimiento", dijodijo.
En los últimos 15 años, los microscopios electrónicos asistidos por láser hicieron posible los videos, pero estos sistemas han sido complejos y costosos. Si bien estas configuraciones pueden capturar eventos que duran desde nanosegundos billonésimas de segundo hasta femtosegundos cuadrillonésimos de segundo, un laboratorio a menudo debe comprar un microscopio más nuevo para acomodar esta capacidad, así como un láser especializado, con una inversión total que puede llegar a los millones de dólares. Un laboratorio también necesita experiencia interna en física láser para ayudar a configurar y operartal sistema.
"Francamente, no todos tienen esa capacidad", dijo Lau.
Por el contrario, la modificación permite a los TEM de cualquier edad hacer películas de alta calidad en la escala de picosegundos billonésimas de segundo mediante el uso de un "chopper de haz" relativamente simple. En principio, el chopper de haz se puede utilizar en cualquierTEM del fabricante. Para instalarlo, los investigadores del NIST abren la columna del microscopio directamente debajo de la fuente de electrones, insertan el chopper de haz y cierran el microscopio nuevamente. Lau y sus colegas han adaptado con éxito tres TEM de diferentes capacidades y elementos antiguos.
Al igual que un estroboscopio, este cortador de haz libera pulsos de electrones sincronizados con precisión que pueden capturar cuadros de importantes procesos repetitivos o cíclicos.
"Imagine una rueda de la fortuna, que se mueve de manera cíclica y repetible", dijo Lau. "Si la estamos grabando con una cámara estenopeica, se verá borrosa. Pero queremos ver autos individuales. Puedo poner unobturador frente a la cámara estenopeica para que la velocidad del obturador coincida con el movimiento de la rueda. Podemos programar el obturador para que se abra siempre que un automóvil designado llegue a la parte superior. De esta manera puedo hacer una pila de imágenes que muestren cada automóvil enla parte superior de la rueda de la fortuna ", dijo.
Al igual que el obturador de luz, el interruptor de haz interrumpe un haz de electrones continuo. Pero a diferencia del obturador, que tiene una abertura que se abre y se cierra, esta abertura de haz permanece abierta todo el tiempo, eliminando la necesidad de una parte mecánica compleja.
En cambio, el cortador de haz genera una onda electromagnética de radiofrecuencia RF en la dirección del haz de electrones. La onda hace que los electrones que viajan se comporten "como corchos que se mecen arriba y abajo en la superficie de una onda de agua", dijo Lau.
Montando esta onda, los electrones siguen una trayectoria ondulante a medida que se acercan a la apertura. La mayoría de los electrones están bloqueados, excepto los que están perfectamente alineados con la apertura. La frecuencia de la onda de RF es sintonizable, por lo que los electrones golpean la muestra en cualquier lugarde 40 millones a 12 mil millones de veces por segundo. Como resultado, los investigadores pueden capturar procesos importantes en la muestra a intervalos de tiempo de aproximadamente un nanosegundo a 10 picosegundos.
De esta manera, el microscopio adaptado por NIST puede capturar detalles a escala atómica de los movimientos de ida y vuelta en máquinas pequeñas como sistemas microelectromecánicos MEMS y sistemas nanoelectromecánicos NEMS. Puede potencialmente estudiar las señales que se repiten regularmenteen antenas utilizadas para comunicaciones de alta velocidad y sondear el movimiento de corrientes eléctricas en procesadores de computadora de próxima generación.
En una demostración, los investigadores querían demostrar que un microscopio adaptado funcionaba como lo hacía antes de la modificación. Tomaron imágenes de nanopartículas de oro tanto en el modo "continuo" tradicional como en el modo de haz pulsado. Las imágenes en el modo pulsado tenían una claridad comparabley resolución a las imágenes fijas.
"Lo diseñamos para que sea el mismo", dijo Lau.
El chopper de haz también puede realizar una doble función, bombeando energía de RF en la muestra de material y luego tomando imágenes de los resultados. Los investigadores demostraron esta capacidad al inyectar microondas una forma de onda de radio en un dispositivo MEMS metálico en forma de peineLas microondas crean campos eléctricos dentro del dispositivo MEMS y hacen que los pulsos entrantes de electrones se desvíen. Estas desviaciones de electrones permiten a los investigadores construir películas de las microondas que se propagan a través del peine MEMS.
Lau y sus colegas esperan que su invención pueda hacer pronto nuevos descubrimientos científicos. Por ejemplo, podría investigar el comportamiento de los campos magnéticos que cambian rápidamente en dispositivos de memoria a escala molecular que prometen almacenar más información que antes.
Los investigadores pasaron seis años inventando y desarrollando su cortadora de haz y han recibido varias patentes y un Premio R&D 100 por su trabajo. Los coautores del trabajo incluyeron el Laboratorio Nacional Brookhaven en Upton, Nueva York, y Euclid Techlabs en Bolingbrook, Illinois.
Una de las cosas que enorgullecen a Lau es que su diseño puede dar nueva vida a cualquier TEM, incluida la unidad de 25 años que realizó la última demostración. El diseño NIST brinda a los laboratorios de todo el mundo el potencial de usar sus microscopios paracapturar procesos importantes de rápido movimiento en los materiales del mañana.
"Democratizar la ciencia fue toda la motivación", dijo Lau.
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Materiales proporcionado por Instituto Nacional de Estándares y Tecnología NIST . Nota: El contenido puede ser editado por estilo y longitud.
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