Los científicos del Ernst Ruska-Center en Forschungszentrum Jülich utilizaron un microscopio electrónico de transmisión para registrar casi 3500 imágenes en 3,5 segundos para la reconstrucción de un tomograma electrónico 3D. Previamente, Se requirieron de 10 a 60 minutos y una dosis de electrones diez veces mayor para registrar tales secuencias de imágenes. La nueva capacidad es particularmente adecuada para examinar células biológicas, bacterias y virus, cuya estructura puede ser dañada por el haz de electrones. Además, permite procesos dinámicos, como reacciones químicas y fenómenos de conmutación electrónica, para ser visualizado en tiempo real en tres dimensiones con precisión subnanométrica. Los hallazgos se han publicado en la revista Informes científicos .

La tomografía electrónica está relacionada con la tomografía computarizada, que se ha vuelto indispensable en la investigación y los estudios clínicos. Los tomogramas de electrones se pueden obtener a partir de volúmenes mucho más pequeños que con las técnicas basadas en rayos X. La resolución espacial tridimensional de la tomografía electrónica es la más alta que se puede lograr con la tecnología actual. El método es especialmente adecuado para estudiar virus y bacterias para facilitar el desarrollo de medicamentos, o para obtener imágenes de las estructuras de nanomateriales novedosos para aplicaciones que van desde la nanoelectrónica hasta la tecnología energética.

"La capacidad de acelerar la adquisición de imágenes y reducir la dosis de radiación abre nuevos horizontes, particularmente en las ciencias de la vida y la investigación de materias blandas, por tomografía electrónica, "dice el profesor Rafal Dunin-Borkowski. En esta técnica, Se utiliza un microscopio electrónico de transmisión para registrar imágenes de una región de tamaño submicrométrico desde diferentes ángulos en rápida sucesión.

"Las imágenes individuales no muestran secciones transversales de la muestra. En cambio, la información de diferentes profundidades en su interior se superpone, similar a una imagen de rayos X, y se proyecta en un plano, "explica el director del Ernst Ruska-Center, quien también es Director del Instituto de Investigación de Microestructuras (PGI-5) en el Instituto Peter Grünberg de Jülich. Por esta razón, Los algoritmos son necesarios para que una computadora calcule una reconstrucción tridimensional del objeto a partir de la serie de imágenes.

La resolución que se puede lograr está limitada por el efecto destructivo del haz de electrones en la muestra. Suave, muestras biológicas, en particular, tolerar sólo un número limitado de imágenes. Sus estructuras sensibles, por ejemplo los de proteínas, son rápidamente destruidos por electrones de alta energía. Para reducir la dosis de electrones, los investigadores del Ernst Ruska-Center equiparon su microscopio electrónico con un detector novedoso. Esta cámara de detección de un solo electrón registra los electrones entrantes directamente, sin necesidad de convertirlos en fotones, es decir, ligero, la práctica habitual en la actualidad.

"La última generación de chips detectores tiene una sensibilidad muy alta, lo que significa que para la misma calidad de imagen es suficiente una dosis de haz de electrones dos o tres veces menor, "explica el Dr. Vadim Migunov, del Ernst Ruska-Center y del Instituto Peter Grünberg de Jülich. Sus colegas del Instituto Central de Ingeniería de Jülich, Electronics and Analytics (ZEA-2) ayudó a desarrollar la electrónica en el chip, lo que garantiza una velocidad de lectura de datos rápida y, por lo tanto, velocidades de grabación extremadamente rápidas.

Primeras pruebas con nanotubos y catalizadores

Para probar la técnica mejorada, Vadim Migunov, junto con sus colegas del Ernst Ruska-Center, examinó un nanotubo de lantánido inorgánico utilizando el nuevo sensor. Estas estructuras son actualmente de interés porque pueden ser adecuadas para la generación de electricidad a partir del calor residual o como nuevas fuentes de luz y catalizadores. Con una velocidad de grabación de aproximadamente 1000 imágenes por segundo, La tomografía electrónica ahora se puede utilizar para observaciones a nanoescala de procesos rápidos como reacciones químicas que involucran catalizadores, procesos de crecimiento de cristales o transiciones de fase, "explica Vadim Migunov.

Los estudios con una mejor resolución temporal y espacial podrían ayudar a revelar por qué la funcionalidad del nanocatalizador se pierde con el tiempo. Las nanopartículas de catalizador se pueden utilizar para producir hidrógeno y separar gases de efecto invernadero nocivos. Su eficiencia depende predominantemente de cómo están dispuestos los átomos en las superficies sobre las que tienen lugar las reacciones químicas.

La nueva técnica tiene ventajas adicionales. Solo se necesitan unos pocos segundos de tiempo de cálculo para registrar y reconstruir la estructura tridimensional de una muestra en una computadora. Por lo tanto, el tiempo requerido es muy corto y los científicos pueden observar experimentos no solo en 3D sino también casi "en vivo".