Durante las últimas dos décadas, Los científicos han descubierto que el microscopio óptico se puede utilizar para detectar, rastrear e visualizar objetos mucho más pequeños que su límite tradicional, aproximadamente la mitad de la longitud de onda de la luz visible, o unos cientos de nanómetros.

Esa investigación pionera, que ganó el Premio Nobel de Química 2014, ha permitido a los investigadores rastrear proteínas en huevos fertilizados, visualizar cómo las moléculas forman conexiones eléctricas entre las células nerviosas del cerebro, y estudiar el movimiento a nanoescala de motores en miniatura.

Ahora, Los desarrollos de investigación en el Instituto Nacional de Estándares y Tecnología (NIST) permiten a los microscopios medir estos detalles a escala nanométrica con un nuevo nivel de precisión.

"Ponemos el microscopio óptico bajo un microscopio para lograr una precisión cercana a la escala atómica, "dijo Samuel Stavis de NIST, quien sirvió como líder del proyecto para estos esfuerzos.

Debido a que los microscopios ópticos no se han utilizado tradicionalmente para estudiar la escala nanométrica, normalmente carecen de la calibración (comparación con un estándar para comprobar que un resultado es correcto) necesaria para obtener información precisa en esa escala. Un microscopio puede ser preciso, indicando consistentemente la misma posición para una sola molécula o nanopartícula. Todavía, al mismo tiempo, puede ser muy inexacto:la ubicación del objeto identificado por el microscopio dentro de una milmillonésima parte de un metro puede, De hecho, ser millonésimas de metro debido a errores no contabilizados. "La precisión sin exactitud puede ser muy engañosa, "dijo Jon Geist, un coautor del estudio del NIST.

Para enfrentar el problema, NIST ha desarrollado un nuevo proceso de calibración que examina de cerca y corrige estos errores de imagen. El proceso utiliza materiales de referencia, objetos con características bien conocidas y estables, que tienen el potencial de producción en masa y distribución generalizada a laboratorios individuales.

Esto es importante porque los microscopios ópticos son instrumentos de laboratorio comunes que pueden ampliar fácilmente diferentes muestras. desde delicadas muestras biológicas hasta dispositivos eléctricos y mecánicos. Así como, Los microscopios ópticos son cada vez más capaces y económicos a medida que incorporan versiones científicas de las luces y cámaras en los teléfonos inteligentes.

El equipo del NIST se basó en procesos de fabricación a escala nanométrica para desarrollar el material de referencia. Los investigadores utilizaron haces de electrones y molienda de iones para formar una serie de aberturas estenopeicas a través de una fina película de platino en un portaobjetos de vidrio. El proceso permitió al equipo espaciar las aberturas 5, 000 nanómetros de distancia, con una precisión de aproximadamente 1 nanómetro. De este modo, los investigadores construyeron una medida de precisión en las posiciones de apertura.

La luz que brilla a través del conjunto de aberturas crea un conjunto de puntos para la obtención de imágenes. Pero debido a que todas las lentes de microscopio tienen imperfecciones, Los errores ocurren inevitablemente durante la obtención de imágenes que cambian las posiciones aparentes de los puntos, haciendo que el espacio entre las aberturas parezca mayor o menor que el espacio real diseñado por el equipo. El conocimiento del espaciado real permite la corrección de los errores de imagen y la calibración del microscopio para mediciones de posición con alta precisión en un amplio campo de visión.

Incluso un pequeño error puede provocar un gran problema. Considerar, por ejemplo, un microscopio que tiene un aumento real de 103 veces cuando el aumento esperado, según lo especificado por el fabricante, es 100 veces. El error resultante del 3 por ciento se suma a grandes distancias a través de una imagen de microscopio. Debido a las imperfecciones de la lente, También se produce un problema más sutil:la ampliación del microscopio cambia a lo largo de la imagen, causando distorsión de la imagen. Para resolver este problema, El equipo del NIST diseñó matrices de apertura y procesos de calibración que funcionaron en grandes campos de visión.

Las matrices de apertura, que permitiría a los investigadores individuales realizar calibraciones en sus propios laboratorios, podría mejorar en un factor de 10, 000 la capacidad de los microscopios ópticos para localizar con precisión la posición de moléculas individuales y nanopartículas.

Stavis y sus colegas, incluido el primer autor Craig Copeland de NIST y Maryland NanoCenter en la Universidad de Maryland, informó sus hallazgos en un artículo publicado recientemente en Luz:ciencia y aplicaciones .

"Hemos identificado y resuelto un problema subestimado, "dijo Copeland.

Habiendo calibrado su microscopio óptico usando las matrices, el equipo invirtió el proceso, utilizando su microscopio para identificar imperfecciones en las matrices de prototipos del proceso de nanofabricación. "Probamos los límites de la nanofabricación para controlar el espacio de apertura, "señaló el coautor Rob Ilic, gerente de NanoFab de NIST. La facilidad y la velocidad de la microscopía óptica podrían facilitar el control de calidad de las matrices de apertura en un proceso de producción.

Finalmente, El equipo aprovechó la estabilidad inherente de las matrices de apertura para evaluar si las nanopartículas fluorescentes, se utiliza a menudo como puntos de referencia fijos en microscopía óptica, en realidad permanecieron fijos en un punto en particular o si se movieron. Los investigadores encontraron que, si bien los movimientos involuntarios de su microscopio óptico hacían que las vistas de las nanopartículas fueran borrosas, el uso de la matriz de apertura mostró que las nanopartículas en realidad no se movían a escalas atómicas.

Esta historia se vuelve a publicar por cortesía de NIST. Lea la historia original aquí.