Comprender la estructura microscópica de un material es clave para comprender cómo funciona y sus propiedades funcionales. Los avances en campos como la ciencia de los materiales han impulsado cada vez más las habilidades para determinar estas características a resoluciones aún más altas. Una técnica para la obtención de imágenes con resolución a nanoescala, microscopía electrónica de transmisión (TEM), es un ejemplo de tecnología prometedora en esta área. Los científicos encontraron recientemente una manera de aprovechar el poder de TEM para medir la estructura de un material con la resolución más alta posible, determinando la posición tridimensional de cada átomo individual.

Presentando su trabajo en el Congreso OSA Imaging and Applied Optics Congress del 25 al 28 de junio, en orlando, Florida, ESTADOS UNIDOS, un equipo de investigadores ha demostrado una técnica que utiliza tomografía TEM para determinar las posiciones tridimensionales de los átomos que se dispersan fuertemente. A través de la simulación, el grupo demostró que es posible reconstruir los potenciales atómicos con resolución atómica usando solo mediciones de intensidad de imagen, y que es posible hacerlo en moléculas que son muy sensibles a los haces de electrones.

"La microscopía electrónica de transmisión se utiliza ampliamente tanto en la ciencia de los materiales como en la biología, "dijo Colin Ophus, Centro Nacional de Microscopía Electrónica, Laboratorio Nacional Lawrence Berkeley, Berkeley, California, y miembro del equipo de investigación. "Debido a que resolvemos completamente la propagación no lineal del haz de electrones, Nuestro método de reconstrucción tomográfica permitirá una reconstrucción más cuantitativa de muestras de dispersión débil, a una resolución más alta o incluso atómica ".

De manera similar a la forma en que se construyen las tomografías computarizadas (TC) para imágenes médicas en hospitales, utilizando una serie de imágenes transversales bidimensionales en diferentes incrementos, La tomografía electrónica construye un volumen tridimensional mediante la rotación de muestras de forma incremental, recopilación de imágenes bidimensionales. Si bien la mayoría de las imágenes por tomografía computarizada en los hospitales se realizan con rayos X para determinar las características de cosas más grandes como los huesos, los haces de electrones utilizados en TEM permiten a los investigadores mirar con una resolución significativamente mayor, hasta la escala atómica.

"Sin embargo, en la escala atómica no podemos ignorar los complejos efectos de la mecánica cuántica de la muestra en el haz de electrones, "Ophus dijo." Esto significa en nuestro trabajo, debemos utilizar un algoritmo mucho más sofisticado para recuperar la estructura atómica que los que se utilizan en una resonancia magnética o una tomografía computarizada ".

La configuración TEM que usó el grupo midió la intensidad de energía que golpea el sensor del microscopio, que es proporcional al número de electrones que golpean el sensor, un número que depende de cómo esté configurado el haz de electrones para cada experimento. Usando los datos de intensidad, el nuevo algoritmo diseñado por el grupo unió las imágenes proyectadas bidimensionales en un volumen tridimensional.

Dar el salto a tres dimensiones con grandes campos de visión, sin embargo, puede gravar las computadoras exponencialmente más que lidiar con imágenes 2-D individuales. Para solucionar esto, modificaron su algoritmo para usarlo en unidades de procesamiento gráfico (GPU), que puede realizar muchas más operaciones matemáticas en paralelo que las típicas unidades de procesamiento de computadora (CPU).

"Podemos obtener resultados en un período de tiempo razonable para dimensiones de muestra realistas, "dijo David Ren, un miembro del equipo.

Con enlaces generalmente más débiles entre sus átomos, Las biomoléculas pueden ser notoriamente difíciles de estudiar usando TEM porque los haces de electrones utilizados para estudiar una aleación de metal, por ejemplo, normalmente rompería una biomolécula. Reducir la dosis de electrones en una muestra, aunque, puede crear imágenes tan ruidosas, otros algoritmos actualmente en uso no pueden reconstruir una imagen 3D. Gracias a un modelo físico más preciso, El nuevo algoritmo del equipo tiene la capacidad.

Ahora que han desarrollado completamente el algoritmo de reconstrucción, el equipo dijo que esperan aplicar lo que han observado en las simulaciones a los datos experimentales. Planean hacer que todos sus códigos de reconstrucción estén disponibles como código abierto para la comunidad de investigación en general.