Los electrones pueden ampliar nuestra visión de los objetos microscópicos mucho más allá de lo que es posible con la luz visible, hasta llegar a la escala atómica. Un método popular en microscopía electrónica para observar Los materiales resilientes en detalle atómico se llaman STEM, o microscopía electrónica de transmisión de barrido, pero el haz de electrones altamente enfocado utilizado en STEM también puede destruir fácilmente muestras delicadas.

Es por eso que el uso de electrones para obtener imágenes de compuestos orgánicos o biológicos, como las mezclas químicas que incluyen litio, un metal ligero que es un elemento popular en la investigación de baterías de próxima generación, requieren una dosis de electrones muy baja.

Los científicos del Laboratorio Nacional Lawrence Berkeley del Departamento de Energía (Berkeley Lab) han desarrollado una nueva técnica de imagen, probado en muestras de oro y carbono a nanoescala, que mejora enormemente las imágenes de elementos ligeros utilizando menos electrones.

La técnica recién demostrada, apodado MIDI-STEM, para iluminación combinada e interferometría de detector STEM, combina STEM con un dispositivo óptico llamado placa de fase que modifica la alternancia de pico a valle, propiedades onduladas (llamadas fase) del haz de electrones.

Esta placa de fase modifica el haz de electrones de una manera que permite medir cambios sutiles en un material, incluso revelando materiales que serían invisibles en las imágenes STEM tradicionales.

Otro método basado en electrones, que los investigadores utilizan para determinar la estructura detallada de delicados, muestras biológicas congeladas, se llama microscopía crioelectrónica, o crio-EM. Si bien la crio-EM de una sola partícula es una herramienta poderosa, fue nombrada como revista científica Naturaleza Método del año 2015:por lo general, requiere tomar un promedio de muchas muestras idénticas para que sea efectivo. Cryo-EM generalmente no es útil para estudiar muestras con una mezcla de elementos pesados ​​(por ejemplo, la mayoría de los tipos de metales) y elementos ligeros como el oxígeno y el carbono.

"El método MIDI-STEM ofrece la esperanza de ver estructuras con una mezcla de elementos pesados ​​y ligeros, incluso cuando están agrupados muy juntos, "dijo Colin Ophus, científico del proyecto en la fundición molecular de Berkeley Lab y autor principal de un estudio, publicado el 29 de febrero en Comunicaciones de la naturaleza , que detalla este método.

Si toma una nanopartícula de elemento pesado y agrega moléculas para darle una función específica, Las técnicas convencionales no proporcionan una una forma clara de ver las áreas donde se encuentran la nanopartícula y las moléculas agregadas.

"¿Cómo están alineados? ¿Cómo están orientados?" Preguntó Ophus. "Hay tantas preguntas sobre estos sistemas, y porque no había forma de verlos, no pudimos responderles directamente ".

Si bien STEM tradicional es eficaz para muestras "duras" que pueden resistir intensos haces de electrones, y cryo-EM puede obtener imágenes de muestras biológicas, "Podemos hacer ambas cosas a la vez" con la técnica MIDI-STEM, dijo Peter Ercius, un científico del personal de Berkeley Lab en Molecular Foundry y coautor del estudio.

La placa de fase en la técnica MIDI-STEM permite una medida directa de la fase de los electrones que están débilmente dispersos cuando interactúan con elementos ligeros en la muestra. Estas mediciones se utilizan luego para construir las llamadas imágenes de contraste de fase de los elementos. Sin esta información de fase, las imágenes de alta resolución de estos elementos no serían posibles.

En este estudio, los investigadores combinaron la tecnología de placas de fase con uno de los STEM de mayor resolución del mundo, en la fundición molecular de Berkeley Lab, y un detector de electrones de alta velocidad.

Produjeron imágenes de muestras de nanopartículas de oro cristalino, que midió varios nanómetros de ancho, y la película superfina de carbono amorfo sobre la que se asentaron las partículas. También realizaron simulaciones por computadora que validaron lo que vieron en el experimento.

La tecnología de placa de fase se desarrolló como parte de una subvención de Investigación y Desarrollo Dirigida por el Laboratorio de Berkeley Lab en colaboración con Ben McMorran de la Universidad de Oregon.

The MIDI-STEM technique could prove particularly useful for directly viewing nanoscale objects with a mixture of heavy and light materials, such as some battery and energy-harvesting materials, that are otherwise difficult to view together at atomic resolution.

It also might be useful in revealing new details about important two-dimensional proteins, called S-layer proteins, that could serve as foundations for engineered nanostructures but are challenging to study in atomic detail using other techniques.

En el futuro, a faster, more sensitive electron detector could allow researchers to study even more delicate samples at improved resolution by exposing them to fewer electrons per image.

"If you can lower the electron dose you can tilt beam-sensitive samples into many orientations and reconstruct the sample in 3-D, like a medical CT scan. There are also data issues that need to be addressed, " Ercius said, as faster detectors will generate huge amounts of data. Another goal is to make the technique more "plug-and-play, " so it is broadly accessible to other scientists.