Los investigadores del laboratorio de física de la Universidad de Oregon de Ben McMorran tuvieron un gran 2018, publicando cuatro artículos sobre sus esfuerzos por dar nueva vida a los microscopios electrónicos de transmisión de barrido para la investigación médica y de materiales.

Han creado una técnica Holografía STEM, que envía electrones a lo largo de dos caminos separados, uno pasando por una muestra y otro no. Esto les permite medir el retraso entre ellos para crear una imagen de alta resolución. Proporciona una resolución atómica mejorada de la estructura externa de una muestra y revela interfaces nunca antes vistas entre una muestra y el material subyacente.

Los investigadores han probado su técnica en nanopartículas de oro, sustratos de carbono y campos eléctricos. Finalmente, podría modificarse para su uso en muestras biológicas vivas, dijo McMorran, profesor asociado en el Departamento de Física.

"Esta técnica nos permite estudiar materiales en alta resolución, medirlos con precisión y comprenderlos mejor de lo que era posible antes, ", dijo el estudiante de doctorado Fehmi Yasin." ¿Podemos obtener imágenes de materiales biomoleculares con resolución atómica sin destruirlos? No todavía, pero nuestra técnica es un buen primer paso ".

Investigadores en Alemania, Japón y Estados Unidos teorizaron hace 30 años que tal enfoque era posible, pero la tecnología disponible no les permitió demostrarlo como una técnica de imagen práctica, Dijo Yasin. Los investigadores de la UO ahora han demostrado, utilizando microscopios en la UO, Lawrence Berkeley National Laboratory y Hitachi Ltd. Research and Development Group en Japón:que la holografía STEM funciona.

La técnica se basa en la holografía electrónica, otro avance reciente que requiere el estado de la técnica, cañones de electrones de costo prohibitivo, Aberturas especialmente construidas y fuentes de alimentación altamente estables para ofrecer una resolución a escala atómica.

"Utilizando holografía STEM flexible, una rama que desarrollamos en colaboración con Toshiaki Tanigaki en Hitachi, ahora podemos capturar con más precisión las interesantes geometrías de los materiales, "Yasin dijo, "Previamente, el campo de visión de la holografía STEM se limitó a unos 30 nanómetros. El uso de la holografía STEM flexible amplía el campo de visión ".

El primer microscopio electrónico de transmisión fue fabricado en Alemania por Max Knoll, un ingeniero eléctrico, y Ernst Ruska, un físico, en 1931. La primera versión comercial apareció en 1939. Ruska ganó el Premio Nobel de Física por sus esfuerzos en 1986.

Los microscopios multimillonarios crean micrografías cuando un haz de electrones pasa a través de una fina porción de una muestra. Tradicionalmente en microscopios electrónicos de transmisión de barrido, Los campos magnéticos se utilizan para enfocar el rayo a un punto de una muestra del tamaño de un átomo. Ese rayo luego se escanea a través de una muestra, pero se requiere una gran cantidad de electrones para ver cualquier cosa porque la mayoría de ellos atraviesan una muestra sin desviarse.

El enfoque UO coloca una rejilla de difracción sobre una muestra, creando rayos adicionales que golpean la muestra y un holograma debajo de ella. Eso captura señales de electrones que no están dispersos y detalla cómo otros se ralentizan a medida que pasan a través de una muestra.

La reciente serie de artículos confirmó que la holografía STEM coincide con las simulaciones por computadora.

"Pusimos el microscopio electrónico en condiciones en las que podríamos aislar la señal que nos importa, y analizamos varios tipos diferentes de muestras, "dijo el ex estudiante de doctorado de la UO Tyler Harvey, ahora investigador postdoctoral en la Universidad de Göttingen. "También simulamos imágenes de una muestra y descubrimos que las simulaciones coincidían muy bien con el experimento".

En un artículo de diciembre dirigido por Harvey en la revista Revisión física aplicada , el equipo de UO detalló teóricamente la técnica y cómo funciona.

En un documento separado en Nano letras , un equipo dirigido por Yasin demostró que la técnica proporciona imágenes con una resolución subnanométrica de materiales a base de carbono. El color representa el grosor, que añade una tercera dimensión y mejora las medidas.

Las imágenes fueron tan claras como se esperaba con un bajo número de electrones, anotaron los investigadores.

"Creemos que la holografía STEM será una gran herramienta para la ciencia de los materiales y la biología, "Dijo Harvey." La técnica realmente sobresale en la obtención de imágenes de campos eléctricos y magnéticos, y puede hacer eso mientras hace lo que más les importa a la mayoría de los científicos de materiales:ver dónde están los átomos ".

La capacidad de utilizar la técnica en muestras biológicas está muy lejos, pero poder hacerlo de forma segura podría tener grandes beneficios, Dijo Yasin.

"Ahora tenemos muchos medicamentos que atacan la composición del cáncer, ", Dijo Yasin." Pero esa composición es similar en todo nuestro cuerpo, por lo que estos medicamentos contra el cáncer atacan simultáneamente tanto a las células enfermas como a las demás células del cuerpo. Si supiéramos la posición de cada átomo en la célula cancerosa, podríamos desarrollarnos mucho mejor, medicamentos más efectivos, sin los efectos secundarios mortales ".

McMorran escribió por primera vez sobre la idea de utilizar un enfoque de holograma en un artículo de enero de 2011 en Science, cuando estaba en el Instituto Nacional de Estándares y Tecnología en Maryland.

En su laboratorio de UO, apoyado por la National Science Foundation y el Departamento de Energía de EE. UU., los investigadores han estado investigando cuatro áreas, todos los cuales buscan obtener imágenes de porciones de materiales que han sido difíciles de detectar.

Las cuatro áreas se centran en materiales transparentes, incluyendo biomateriales u otras moléculas orgánicas; campos eléctricos, como la carga y su distribución en transistores simples; campos magnéticos, como materiales ahora en discos duros y potencialmente útiles en espintrónica; y se espera que los electrones y qubits se utilicen en computadoras cuánticas.

"Es posible que cuatro de estas cosas no funcionen, "dijo McMorran, quien también es miembro del Instituto de Ciencia de Materiales y del Centro Óptico de Oregon, Ciencia molecular y cuántica. "Puede haber una técnica mejor que termine siendo la mejor para algunos. Es posible que estemos desarrollando una herramienta útil para llegar a las cuatro posibilidades o tal vez solo a una de ellas. En este momento, todas las flechas apuntan a los cuatro ".