Tomografia elektronowa – narzędzie do obrazowania nanoświata

Artykuły
Brak komentarzy
Drukuj

Tomografia elektronowa to bardzo potężna metoda obrazowania materiałów, charakteryzująca się bardzo wysoką rozdzielczością przestrzenną. Do tej pory jej główną wadą był brak możliwości tworzenia trójwymiarowych obrazów w skali atomowej. Obecnie, dzięki pracy amerykańskich naukowców ograniczenie to udało się przezwyciężyć.

Zdolność do obrazowania sposobu uporządkowania atomów w materiałach odgrywa kluczową rolę w rozwijaniu współczesnej nauki oraz technologii. Od dziesiątków lat wszelkiej maści techniki krystalograficzne służą ujawnianiu trójwymiarowej struktury atomowej, zaś mikroskopy wyposażone w sondę skanującą, pozwalają określać strukturę powierzchni badanych materiałów w skali atomowej. Jednakże do tej pory żadna technika badawcza nie umożliwiała w bezpośredni sposób określać trójwymiarowej struktury materiału w skali atomowej, bez uprzedniego poznania jego struktury oraz założeniu, że struktura ta jest jednakowa w całej objętości badanego materiału. W związku z powyższym charakteryzowanie obiektów o bardzo małych rozmiarach (np. nanocząstek) i wynikającej z tego faktu znacznie odmiennej strukturze sieci krystalicznej w porównaniu z ich objętościowym (litym) odpowiednikiem, było skutecznie ograniczone.

Obrazowanie struktur z rozdzielczością kilku angstremów

Obecnie powyższa sytuacja uległa istotnej zmianie, ponieważ eksperymenty przeprowadzone przez grupę fizyków z University of California w Los Angeles oraz z Lawrence Berkeley National Laboratory kierowaną przez Jianwei Miao potwierdziły możliwość bezpośredniego trójwymiarowego obrazowania lokalnych struktur badanych materiałów, bez posiadania jakichkolwiek informacji na temat ich struktury. „Udało nam się zaobserwować pojedyncze atomy wewnątrz niektórych obszarów dziesięcionanometrowych złotych nanocząstek oraz zidentyfikować w nich kilka ziaren, z rozdzielczością przestrzenną równą 2,4 Å (1 Å = 10-10 m). Nikomu wcześniej nie udało się tego dokonać”, powiedział Miao.

zdjęcie nanocząstki złota przedstawiające cztery trójwymiarowe krystality
Zdjęcie nanocząstki złota wykonane z rozdzielczością 2,4 Å, przedstawiające cztery trójwymiarowe krystality tworzące dwie pary bliźniaczych obszarów granicznych wewnątrz nanocząstki. Obszary te są reprezentowane przez zielony i złoty oraz niebieski i czerwony kolor.

Jedną z głównych wad konwencjonalnej tomografii jest konieczność co najmniej kilkukrotnej zmiany położenia próbki w trakcie badania oraz wykonywania dla każdego ustawienia próbki serii obrazów służących do rekonstrukcji jej struktury. Z opisaną procedurą związane jest kolejne bardzo istotne ograniczenie. Mianowicie każda długotrwała ekspozycja próbki na wiązkę wysokoenergetycznych elektronów (stosowanych w tej metodzie) niszczy nieodwracalnie jej strukturę, ograniczając tym samym liczbę możliwych do wykonania projekcji. Kolejną wadą tradycyjnej tomografii jest niemożność pochylenia próbki pod kątem większym niż 79o, powodując, że dane dotyczące badanej próbki nie mogą być uzyskiwane z jej przełomu. Grupie Miao udało się przezwyciężyć wszystkie opisane wyżej problemy, łącząc nowatorską metodę ustawiania położenia próbki z iteracyjną techniką rekonstrukcji tomograficznych wykorzystującą pierścieniowy transmisyjny skaningowy mikroskop elektronowy z ciemnym polem (ADF-STEM) (ang. annular dark – field scanning tunnelling electron microscope).

Tomografia elektronowa – nowatorskie rozwiązanie

Zespół Miao prace nad skonstruowaniem tego urządzenia rozpoczął już w 2005 roku, kiedy to zdecydował się udoskonalić konwencjonalną tomografię poprzez opracowanie techniki „tomografii równych pochyleń” (EST) (ang. equally sloped tomography). Metoda ta pozwoliła naukowcom pochylać swoje próbki stosując małe, równe kąty nachylenia oraz wykonywać trójwymiarowe rekonstrukcje za pomocą fourierowskiego algorytmu iteracyjnego. Technika EST pomogła znacząco zmniejszyć wymaganą liczbę projekcji badanej próbki, wpływając automatycznie na mniejsze jej uszkodzenia w trakcie badania, przy zachowaniu tej samej rozdzielczości, kontrastu i jakości obrazu co konwencjonalna tomografia. „W naszej najnowszej pracy, połączyliśmy metodę EST z równie nowatorską metodą ustawiania położenia próbki, wykorzystującej środek masy badanego obiektu, aby zobrazować w skali atomowej dziesięcionanometrową nanocząstkę złota, przy użyciu tylko 69-ciu projekcji”, powiedział Miao.

Według badaczy, opracowana przez nich technika badawcza może być stosowana w ogólności do określania trójwymiarowej lokalnej struktury krystalicznych i polikrystalicznych materiałów, jak również nanomateriałów. Technika to może się również przyczynić do poprawy rozdzielczości i jakości obrazu próbek zawierających materiał biologiczny.

Artykuł pochodzi ze strony: physicsworld.com

Dodaj komentarz