Los científicos de materiales suelen utilizar microscopía electrónica de transmisión (TEM) en fase de solución para revelar las propiedades fisicoquímicas únicas de las estructuras tridimensionales (3-D) de los nanocristales. En un nuevo informe sobre Avances de la ciencia , Cyril F. Reboul y un equipo de investigación de la Universidad de Monash, Australia, Universidad Nacional de Seúl, Corea del Sur, y el Laboratorio Nacional Lawrence Berkeley de EE. UU., desarrolló un método de reconstrucción 3-D browniano de una sola partícula. Para lograr esto, obtuvieron imágenes de conjuntos de nanocristales coloidales utilizando microscopía electrónica de transmisión de células líquidas de grafeno. El equipo obtuvo imágenes de proyección de nanocristales rotados de manera diferente utilizando un detector de electrones directo para obtener un conjunto de reconstrucciones tridimensionales. En este trabajo, Introdujeron métodos computacionales para reconstruir con éxito nanocristales 3D a resolución atómica y lo lograron rastreando partículas individuales a lo largo del tiempo. mientras resta el fondo de interferencia. El método también podría identificar / rechazar imágenes de baja calidad para facilitar estrategias personalizadas para la alineación 2-D / 3-D que difieran de las de la microscopía biológica crioelectrónica. El equipo puso los desarrollos a disposición a través de un paquete de software de código abierto conocido como SINGLE. El software gratuito está disponible en GitHub.

Usando SINGLE para Cristalografía

Los investigadores han sostenido avances en cristalografía en los últimos 50 años para transformar la comprensión existente de la química y la biología. Sin embargo, algunos objetivos, incluidos los nanocristales solubilizados, siguen siendo intratables con los métodos cristalográficos tradicionales. Por ejemplo, Los nanocristales coloidales contienen decenas a cientos de átomos y mantienen una variedad de aplicaciones en campos multidisciplinarios, incluida la electrónica, catálisis y sensores biológicos. Las versatilidad surgen de la alta sensibilidad de las propiedades de los nanocristales al tamaño, composición química y otras variables durante la síntesis. Típicamente, los científicos utilizan partículas individuales, Reconstrucción 3-D en biología estructural para determinar la estructura de proteínas. La técnica es relativamente nueva para la reconstrucción tridimensional in situ de nanocristales individuales solubilizados. En este trabajo, Reboul y col. desarrollado SINGLE; un método que se basaba en la reconstrucción tridimensional independiente de nanocristales individuales solubilizados, incluido el movimiento browniano. La técnica es el primer avance en estudio para resolver estructuras atómicas tridimensionales de nanocristales directamente de la fase de solución.

Los científicos introdujeron nuevos métodos de preprocesamiento para mejorar la relación señal-ruido (SNR) para rastrear las trayectorias de las partículas mientras eliminan la señal de fondo inducida por el grafeno. Los métodos computacionales avanzados podrían reconstruir con éxito en 3D a partir de los datos de microscopía electrónica de transmisión de células de grafeno líquido (GLC) in situ. En comparación con las técnicas existentes, el trabajo presentó la aplicabilidad de un método computacional sin precedentes para obtener reconstrucciones 3-D a resolución atómica para nanocristales dispersos en solución. Dividieron el flujo de trabajo ÚNICO en dos pasos principales (1) preprocesamiento y (2) reconstrucción tridimensional de partículas. Los científicos tenían como objetivo proporcionar el mayor rendimiento y eficiencia posibles en cualquier hardware de CPU, desde supercomputadoras hasta estaciones de trabajo o incluso portátiles.

En primer lugar, el equipo promedió la ventana de tiempo en varios fotogramas con movimiento anisotrópico para mejorar la relación señal-ruido, conduciendo a partículas visibles y una señal de grafeno mejorada. Luego, el equipo identificó las posiciones de las partículas manualmente en el promedio de la primera ventana de tiempo. Después de eso, el equipo desarrolló un modelo inicial basado en la estructura cristalográfica esperada, diámetro de partícula y elementos constituyentes y produjeron reconstrucciones 3-D con coordenadas atómicas ajustadas para el análisis de estructuras a escala atómica.

Reboul y col. introdujo un nuevo método de seguimiento que utiliza transformadas rápidas de Fourier y la correlación de fase para identificar un máximo de correlación con precisión de subpíxeles. El equipo eliminó el ruido de la ventana de tiempo de extracción utilizando la eliminación de ruido basada en la variación total (TV) y la eliminación de ruido combinada y el promedio de tiempo para proporcionar un método robusto para rastrear el movimiento de los nanocristales individuales en toda la muestra. El método les permitió discernir la forma general de los nanocristales y / o sus características cristalinas, lo que atestigua la robustez del algoritmo de seguimiento. Usando el método, también recuperaron trayectorias previamente desafiantes para obtener reconstrucciones 3-D y emplearon una trayectoria de partículas sustraídas de fondo en todos los pasos de procesamiento de imágenes para la sustracción de grafeno de la GLC (celda líquida de grafeno). El equipo caracterizó además la naturaleza de las rotaciones de nanocristales en el espacio altamente confinado de la celda de grafeno líquido. El método no fue trivial debido a la naturaleza probabilística del algoritmo de reconstrucción 3D. Por lo tanto, el equipo incorporó un enfoque determinista para mejorar la precisión del clúster, al tiempo que mejora la relación señal-ruido frente a los fotogramas individuales.

Generando modelos

A continuación, los investigadores desarrollaron un modelo inicial utilizando el conocimiento de que las partículas tienen una disposición de posición atómica aproximadamente cúbica. Simularon las densidades atómicas utilizando factores de dispersión atómica 5-gaussianos. Las proyecciones 2-D de la densidad 3-D simulada representaron el carácter de las proyecciones en el núcleo del nanocristal, para superar problemas relacionados con la simetría traslacional y una señal de fondo interferente. El método de refinamiento tridimensional que se utiliza para la microscopía crioelectrónica biológica no podría aplicarse directamente a los datos de series de tiempo de nanocristales; por lo tanto, Reboul y col. introdujo modificaciones críticas. Utilizaron un esquema de refinamiento de dos etapas para establecer la forma correcta del nanocristal para permitir que los átomos y sus formas impulsen la alineación 3-D. Los investigadores eligieron tres nanocristales de diferentes tamaños que no fueron reconstruidos previamente para la evaluación comparativa. luego, usando mapas atómicos producidos con el método, Reboul y col. obtuvieron detalles estructurales microscópicos a nivel atómico. El trabajo también facilitó mapas atómicos que detallan el análisis de tensión y el análisis de la estructura de la celda unitaria.

Validando las reconstrucciones 3-D

Los investigadores generaron además un modelo de un nanocristal desordenado utilizando simulaciones de dinámica molecular para comprender la aplicabilidad de SINGLE a nanocristales altamente desordenados. Usando simulaciones de múltiples cortes, aplicaron movimiento de traslación y variaciones de desenfoque aleatorias para representar un movimiento de partículas realista. Luego obtuvieron un mapa de densidad tridimensional del nanocristal desordenado a partir de 500 imágenes simuladas con una relación señal / ruido de 0,1 y un modelo inicial con un orden cristalino perfecto para coincidir excelentemente con las partículas originales. El equipo obtuvo la distribución de las direcciones de proyección de los nanocristales giratorios para validar la calidad de la reconstrucción tridimensional y requerirá más estudios para comprender cómo las estructuras atómicas reales de los nanocristales afectan la dinámica de rotación.

De este modo, Cyril F. Reboul y sus colegas demostraron métodos computacionales en SINGLE para obtener mapas de densidad de nanocristales de resolución atómica. Usando una configuración avanzada de celda líquida, como celdas líquidas de grafeno con nanocámaras ordenadas, el equipo permitió el control del espesor del líquido para ampliar la aplicabilidad de SINGLE para una adquisición de datos eficiente. La suite SINGLE proporcionó una plataforma analítica eficiente, la primera en estudio, para comprender el origen estructural de las propiedades físicas y químicas únicas de los nanocristales en su fase de solución nativa.

© 2021 Science X Network