Investigadores de la Universidad de Illinois en Urbana-Champaign han demostrado por primera vez que ya no se necesitan costosos microscopios con corrección de aberraciones para alcanzar una resolución microscópica sin precedentes.

El campo de la microscopía se encuentra en medio de una gran revolución. Desde el siglo XIX y la invención del microscopio óptico compuesto, solo ha habido unos pocos saltos importantes en la resolución para ver diferentes escalas de longitud:desde bacterias y células hasta virus y proteínas, e incluso hasta átomos individuales.

Generalmente, a medida que la resolución ha ido dando estos increíbles saltos, también lo ha hecho el precio de los microscopios utilizados para alcanzar esa resolución. Estos elevados precios limitan gravemente la accesibilidad de estos instrumentos. El salto actual en la resolución proviene de una nueva técnica llamada pticografía electrónica, un método que utiliza la computación para aumentar la resolución de los microscopios electrónicos, que ha arrasado en el campo en los últimos 5 o 6 años.

Investigadores de la Universidad de Illinois en Urbana-Champaign han demostrado una resolución récord utilizando pticografía electrónica en microscopios electrónicos de transmisión "convencionales" (es decir, convencional sin costosos correctores de aberraciones). Esto rompe la tendencia de aumentar el precio de los microscopios con una resolución cada vez mayor. Pudieron lograr una resolución espacial profunda subangstrom de hasta 0,44 angstrom (un angstrom es una diez milmillonésima parte de un metro), que excede la resolución de las herramientas con corrección de aberraciones y rivaliza con sus resoluciones ptográficas más altas.

"Durante los últimos 90 a 100 años, nuestro campo ha pensado que la manera de hacer una gran microscopía es hacer microscopios cada vez mejores", dice el profesor de ciencia e ingeniería de materiales Pinshane Huang, quien dirigió este trabajo. "Lo más interesante de nuestra investigación es que estamos demostrando que no se necesita un microscopio de última generación para que esto funcione. Podemos tomar un microscopio 'convencional' y hacer lo mismo, usando pticografía, y es simplemente ¡Qué bueno! Esto es sorprendente porque puede haber una diferencia de costo multimillonaria entre las dos configuraciones".

Esta investigación, cuyos autores son la ex investigadora postdoctoral de MatSE UIUC, Kayla Nguyen, la ex estudiante graduada de MatSE UIUC, Chia-Hao Lee, y el científico del Laboratorio Nacional Argonne, Yi Jiang, se publicó recientemente en la revista Science. .

Antes de la pticografía, los microscopios electrónicos de mayor resolución utilizaban una tecnología llamada corrección de aberraciones para permitir a los científicos ver átomos individuales. En lugar de utilizar un haz de luz para sondear una muestra, los microscopios electrónicos utilizan un haz de electrones, enfocados por electroimanes.

Los electrones tienen longitudes de onda miles de veces más pequeñas que la luz visible, lo que permite a los microscopios electrónicos resolver objetos que son muchas veces más pequeños de lo que se pueden ver con microscopios ópticos. Los científicos utilizan estos microscopios para decodificar las estructuras de objetos que van desde la proteína de pico del virus COVID-19 hasta la disposición de los átomos en el grafeno y, de manera más general, para observar el interior de la materia para comprender su estructura atómica, composición y enlaces.

Sin embargo, uno de los desafíos del uso de haces de electrones es enfocar ese haz. "Es imposible fabricar una lente perfecta para electrones", afirma Huang. "Lo que la gente ha estado haciendo para compensar es fabricar lentes 'malas' y luego colocarles correctores de aberraciones, que son una serie de lentes 'malas' que son 'malas' en sentidos opuestos. En conjunto, hacen lentes 'buenas'. , y ese ha sido el estándar de oro para cómo obtenemos imágenes a escala atómica durante al menos 20 años".

En óptica, una aberración es cualquier forma en que una lente se desvía de una lente perfecta. Por ejemplo, los ojos humanos pueden tener varios tipos de aberraciones, como miopía y miopía (los ojos no pueden enfocar en todas las distancias) y astigmatismo (curvatura del globo ocular que causa visión borrosa).

Lee explica:"Para las lentes electromagnéticas, la forma de enfocar estos electrones es a través de un campo electromagnético. Pero no tenemos una buena manera de controlar la forma y la fuerza del campo electromagnético, lo que impone una limitación muy fuerte sobre la precisión podemos estar enfocando estos electrones."

En la microscopía con corrección de aberraciones, la tecnología de vanguardia actual, hay una pila adicional de lentes para corregir las aberraciones de las lentes normales, que cambia la forma del haz antes de que llegue a la muestra. Esas lentes adicionales de corrección de aberraciones son donde se agregan costos significativos al microscopio.

Si bien es imposible fabricar una lente perfecta, el objetivo de los últimos 100 años ha sido fabricar continuamente mejores lentes para minimizar las aberraciones. Pero Huang dice:"Lo interesante de la pticografía es que no es necesario fabricar lentes cada vez mejores. Lo que podemos hacer en su lugar es usar computadoras".

En lugar de utilizar una pila de lentes ópticas para eliminar aberraciones, la pticografía las elimina computacionalmente. Con una nueva generación de detectores, llamados detectores de píxeles híbridos, que cuestan unos cientos de miles de dólares (en comparación con los microscopios con corrección de aberraciones que cuestan hasta 7 millones de dólares) y algoritmos informáticos, este método puede duplicar, triplicar o incluso cuadriplicar la resolución de lo que un microscopio puede lograr con sus lentes físicas.

Huang y su equipo han demostrado que su enfoque cuadriplica la resolución de los microscopios electrónicos de transmisión convencionales. Además, casi cualquier microscopio electrónico de transmisión de barrido ahora se puede adaptar para lograr una resolución de última generación a una fracción del costo.

Si bien este enfoque cambia las reglas del juego, Huang señala que la pticografía sigue siendo una técnica desafiante que requiere mucha potencia de cálculo. Puede llevar horas lograr que una sola reconstrucción alcance la mejor resolución. Pero, como ocurre con muchas otras tecnologías, la computación avanza bastante rápido y se vuelve más barata, más rápida y más fácil de usar.

"Aportamos una técnica de vanguardia, la pticografía electrónica, a los microscopios electrónicos de transmisión convencionales para demostrar por primera vez que un microscopio 'mediocre' puede funcionar tan bien como los microscopios más caros del mercado", afirma Huang.

"Esto es importante para los cientos de instituciones en todo el país y en todo el mundo que antes no podían permitirse el lujo de lo último. Ahora, todo lo que necesitan es un detector, algunas computadoras y pticografía electrónica. Y una vez que lo haces, puedes ver el mundo atómico con mucho más detalle de lo que nadie imaginaba hace 10 años. Esto representa un enorme cambio de paradigma."

Más información: Kayla X. Nguyen et al, Cómo lograr una pticografía con resolución inferior a 0,5 angstrom en un microscopio electrónico sin corregir, Ciencia (2024). DOI:10.1126/ciencia.adl2029

Proporcionado por la Facultad de Ingeniería Grainger de la Universidad de Illinois