Investigadores del Instituto Nacional de Estándares y Tecnología (NIST) y sus colaboradores han desarrollado una forma de modernizar el microscopio electrónico de transmisión, un caballo de batalla científico de larga data para hacer imágenes microscópicas nítidas, para que también pueda crear películas de alta calidad de super -Procesos rápidos a escala atómica y molecular. Compatible con microscopios electrónicos antiguos y nuevos, la actualización promete permitir nuevos conocimientos sobre todo, desde máquinas microscópicas hasta chips de computadora de próxima generación y tejido biológico, haciendo que esta capacidad de producción de películas esté más disponible para los laboratorios de todo el mundo.

"Queremos poder ver cosas en la ciencia de los materiales que suceden muy rápido, ", dijo la científica del NIST June Lau. Ella informa sobre la primera operación de prueba de concepto de este diseño modernizado 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, " ella dijo.

Un invento de casi 100 años, 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. Las versiones modernas 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 eficacia de nuevos fármacos.

"Los microscopios electrónicos pueden mirar cosas muy pequeñas en la escala atómica, "Dijo Lau." Son geniales. Pero históricamente miran cosas que están fijadas en el tiempo. No son buenos para ver objetivos en movimiento, " ella dijo.

En los últimos 15 años, los microscopios electrónicos asistidos por láser hicieron posible los videos, pero tales sistemas han sido complejos y costosos. Si bien estas configuraciones pueden capturar eventos que duran desde nanosegundos (mil millonésimas de segundo) hasta femtosegundos (cuadrillonésimas de segundo), un laboratorio a menudo debe comprar un microscopio más nuevo para adaptarse a 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 de láser para ayudar a configurar y operar dicho sistema.

"Francamente, no todo el mundo tiene esa capacidad, "Dijo Lau.

A diferencia de, la actualización 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 cortador de haz se puede utilizar en cualquier fabricante TEM. Para instalarlo, Los investigadores del NIST abren la columna del microscopio directamente debajo de la fuente de electrones, inserte el interruptor de haz y cierre el microscopio nuevamente. Lau y sus colegas han adaptado con éxito tres TEM de diferentes capacidades y años.

Como un estroboscopio Este interruptor de haz libera pulsos de electrones sincronizados con precisión que pueden capturar fotogramas de importantes procesos cíclicos o repetidos.

"Imagina una noria, que se mueve de forma cíclica y repetible, "Dijo Lau." Si lo estamos grabando con una cámara estenopeica, se verá borroso. Pero queremos ver autos individuales. Puedo poner un obturador frente a la cámara estenopeica para que la velocidad del obturador coincida con el movimiento de la rueda. Podemos programar el tiempo del obturador para que se abra cada vez que un automóvil designado sube a la parte superior. De esta manera puedo hacer una pila de imágenes que muestre cada auto en la parte superior de la noria, " ella dijo.

Como la luz de la contraventana 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 apertura del rayo permanece abierta todo el tiempo, eliminando la necesidad de una pieza mecánica compleja.

En lugar de, el interruptor 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 suben y bajan en la superficie de una onda de agua, "Dijo Lau.

Montando esta ola los electrones siguen un camino ondulado 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, de modo que los electrones golpean la muestra entre 40 millones y 12 mil millones de veces por segundo. Como resultado, los investigadores pueden capturar procesos importantes en la muestra a intervalos de tiempo desde aproximadamente un nanosegundo hasta 10 picosegundos.

De este modo, El microscopio adaptado al NIST puede capturar detalles a escala de átomo de los movimientos hacia adelante y hacia atrás en máquinas diminutas como los sistemas microelectromecánicos (MEMS) y los sistemas nanoelectromecánicos (NEMS). Potencialmente, puede estudiar las señales que se repiten regularmente en las antenas utilizadas para las comunicaciones de alta velocidad y sondear el movimiento de las corrientes eléctricas en los 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. Obtuvieron 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 y una resolución comparables a las de las imágenes fijas.

"Lo diseñamos para que sea igual, "Dijo Lau.

El chopper de haz también puede realizar una doble función, bombeando energía de RF a la muestra de material y luego tomando fotografías de los resultados. Los investigadores demostraron esta capacidad inyectando microondas (una forma de onda de radio) en un metal, dispositivo MEMS en forma de peine. Las 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 crear películas de las microondas que se propagan a través del peine MEMS.

Lau y sus colegas esperan que su invento pronto pueda hacer 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 haces 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 más enorgullece 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 del NIST ofrece a los laboratorios de todo el mundo la posibilidad de utilizar sus microscopios para capturar importantes procesos de rápido movimiento en los materiales del mañana.

"Democratizar la ciencia fue toda la motivación, "Dijo Lau.