En su esencia, Los microscopios electrónicos funcionan de forma muy parecida a los proyectores de películas. Un rayo de alta potencia atraviesa un material y proyecta algo, generalmente algo que realmente queremos ver, en una pantalla del otro lado. Con la mayoría de los microscopios electrónicos, sin embargo, capturar datos es como intentar proyectar una película en una pantalla sucia que es demasiado pequeña para ver la proyección completa. Pero una nueva tecnología de cámara, probado por investigadores de la Universidad de Drexel, permite que los microscopios presenten una una mirada más completa y detallada a su presentación destacada.

Usando una cámara de detección directa y un filtro de imagen, el grupo descubrió que puede obtener una imagen más nítida de la estructura y composición químicas, y obtener estos datos con bastante rapidez. También es lo suficientemente sensible como para operar el microscopio de una manera que permita a los científicos estudiar frágiles, muestras biológicas sin dañarlas. Drexel es el primero en combinar el uso de estas tecnologías para brindar a los investigadores un Observe claramente los mecanismos detrás de las reacciones químicas y físicas casi tan rápido como ocurren.

El equipo, dirigido por Mitra Taheri, Doctor, Profesor asociado de Hoeganaes en la Facultad de Ingeniería de Drexel y director del Grupo de Caracterización Dinámica en el Departamento de Ciencia e Ingeniería de Materiales, publicó recientemente sus hallazgos de una prueba en paralelo de una cámara de detección directa recientemente desarrollada y una cámara de detección indirecta convencional, ambos desarrollados por Gatan. Su pieza en el diario Informes científicos de la naturaleza , sugiere que la aplicación de un sensor de detección directa a la espectroscopia de pérdida de energía de electrones estándar (EELS) mejorará en gran medida la capacidad de los científicos para estudiar la estructura y la química de los materiales a nivel nanométrico

"EELS es una técnica popular que existe desde hace un tiempo, sin embargo, el ruido presente en EELS es un problema importante, "según Jamie Hart, investigadora doctoral y coautora del artículo. "Al aplicar la detección directa a EELS, podemos reducir en gran medida el ruido experimental, que mejorará con respecto a la observación en tiempo real de procesos dinámicos, como el seguimiento del movimiento de los iones de litio en las baterías de iones de litio, y ayudará al estudio de materiales sensibles, como materia biológica ".

En realidad, cualquier comparación entre un microscopio electrónico y un proyector de películas básicamente termina con el botón "on". En lugar de empujar la luz a través de la película, Los microscopios electrónicos disparan un haz de electrones cargados a través del material de muestra que se está estudiando. Pasan por el material y son grabadas por una cámara. La interpretación de la cámara del viaje de los electrones puede decirles mucho a los investigadores sobre el material. Algunos electrones atraviesan el material como si ni siquiera estuviera allí. Algunos pasan pero cambian de dirección. Otros lo atraviesan, pero ahora se mueven a una velocidad diferente. Todos estos comportamientos dan a los investigadores pistas sobre la composición química y la estructura interior del material.

Por lo tanto, agregar una cámara más sofisticada a un microscopio puede marcar una gran diferencia en los datos que los investigadores pueden obtener.

El laboratorio de Taheri es el primero en utilizar este tipo de cámara, una cámara de detección directa Gatan K2, con un microscopio de espectroscopia de pérdida de energía de electrones (EELS), un tipo que extrae sus inferencias sobre una muestra midiendo cuánta energía pierden los electrones cuando la atraviesan. La tecnología EELS la utilizan normalmente los investigadores que intentan determinar qué elementos están presentes en una muestra o la estructura química de un elemento determinado. Pero al agregar la cámara de detección directa al sistema, El equipo de Drexel puede determinar qué elementos están presentes y comprender los enlaces químicos de cada uno.

"La detección directa proporciona datos de mayor resolución de energía, lo que nos ayuda a comprender cómo se unen los átomos, y proporciona un mayor campo de visión de energía, permitiéndonos ver más elementos a la vez, "Dijo Hart.

La alta sensibilidad de la nueva cámara significa que puede sondear un material con más suavidad, exponerlo a una dosis más baja de electrones, que otros microscopios que emiten un rayo más potente a través de la muestra. Debido a esto, se puede utilizar para estudiar muestras más frágiles como virus y bacterias.

"El uso del sensor de detección directa de bajo ruido básicamente reducirá la cantidad de electrones necesarios para el análisis en un factor de 2-5, para muestras biológicas que se destruyen fácilmente con el haz de electrones, esto hace una gran diferencia. También, si queremos ver una reacción rápida, esto nos permite ir a velocidades de cuadro más altas ", dijo Hart.

Para que funcione Gatan tuvo que desarrollar su propia interfaz de software con EELS y un protocolo para operarlo, lo cual no es una tarea pequeña considerando que el dispositivo captura hasta 1, 600 cuadros por segundo, lo que equivale a aproximadamente 2 gigabytes de datos, y funciona tan caliente que necesita una circulación constante de agua para mantenerlo fresco.

"Uno de los mayores desafíos de la recopilación de datos de alta velocidad de fotogramas es el almacenamiento y el procesamiento. En el mínimo de K2, genera 400 imágenes por segundo, cada uno tiene 16 millones de píxeles, y todo eso suma, "dijo Andrew Lang, investigador de doctorado en el laboratorio de Taheri. "Nuestro rack de servidores puede manejar más de 3 gigabytes por segundo de datos con algunas de las matrices de unidades de estado sólido más rápidas disponibles en la actualidad".

Pero todo ese esfuerzo vale la pena, según el equipo, cuando puede recopilar una resolución más alta, datos más limpios en un período de tiempo más corto que con una cámara convencional. El equipo está utilizando actualmente el K2 para examinar materiales que están en desarrollo para componentes de computadora, almacenamiento de energía y blindaje electromagnético, y sugieren que también podría usarse para estudiar virus y bacterias.