Los diseñadores de chips informáticos, científicos de materiales, biólogos y otros científicos ahora tienen un nivel de acceso sin precedentes al mundo de los materiales a nanoescala gracias al software de visualización 3D que se conecta directamente a un microscopio electrónico, lo que permite a los investigadores ver y manipular visualizaciones 3D de nanomateriales en tiempo real. .

Desarrollado por un equipo de ingenieros y desarrolladores de software dirigido por la Universidad de Michigan, las capacidades se incluyen en una nueva versión beta de tomviz, una herramienta de visualización de datos 3D de código abierto que ya utilizan decenas de miles de investigadores. La nueva versión reinventa el proceso de visualización, haciendo posible pasar de muestras microscópicas a visualizaciones 3D en minutos en lugar de días.

Además de generar resultados más rápidamente, las nuevas capacidades permiten a los investigadores ver y manipular visualizaciones 3D durante un experimento en curso. Eso podría acelerar drásticamente la investigación en campos como microprocesadores, baterías de vehículos eléctricos, materiales livianos y muchos otros.

"Ha sido un sueño de larga data de la industria de los semiconductores, por ejemplo, poder hacer una tomografía en un día, y aquí lo hemos reducido a menos de una hora", dijo Robert Hovden, profesor asistente de ciencia de los materiales y ingeniería en la U-M y autor correspondiente del artículo, publicado en Nature Communications . "Puedes comenzar a interpretar y hacer ciencia incluso antes de que hayas terminado con un experimento".

Hovden explica que el nuevo software extrae datos directamente de un microscopio electrónico a medida que se crea y muestra los resultados de inmediato, un cambio fundamental con respecto a las versiones anteriores de tomviz. En el pasado, los investigadores recopilaban datos del microscopio electrónico, que toma cientos de imágenes de proyección bidimensional de un nanomaterial desde varios ángulos diferentes. A continuación, llevaron las proyecciones al laboratorio para interpretarlas y prepararlas antes de dárselas a tomviz, que tardaría varias horas en generar una visualización 3D de un objeto. Todo el proceso tomó de días a una semana, y un problema con un paso del proceso a menudo significaba comenzar de nuevo.

La nueva versión de tomviz hace toda la interpretación y el procesamiento en el acto. Los investigadores obtienen un renderizado 3D sombrío pero útil en unos pocos minutos, que mejora gradualmente hasta convertirse en una visualización detallada.

“Cuando trabajas en un mundo invisible como el de los nanomateriales, nunca sabes realmente lo que vas a encontrar hasta que empiezas a verlo”, dijo Hovden. "Entonces, la capacidad de comenzar a interpretar y hacer ajustes mientras todavía está en el microscopio hace una gran diferencia en el proceso de investigación".

La gran velocidad del nuevo proceso también podría ser útil en la industria:los fabricantes de chips de semiconductores, por ejemplo, podrían usar la tomografía para realizar pruebas en nuevos diseños de chips, buscando fallas en los circuitos tridimensionales a nanoescala demasiado pequeños para ver. En el pasado, el proceso de tomografía era demasiado lento para ejecutar los cientos de pruebas requeridas en una instalación comercial, pero Hovden cree que tomviz podría cambiar eso.

Hovden enfatiza que tomviz se puede ejecutar en una computadora portátil estándar de nivel de consumidor. Puede conectarse a modelos nuevos o antiguos de microscopios electrónicos. Y debido a que es de código abierto, el software en sí es accesible para todos.

"El software de código abierto es una gran herramienta para potenciar la ciencia a nivel mundial. Hicimos la conexión entre tomviz y el microscopio independiente del fabricante del microscopio", dijo Hovden. "Y debido a que el software solo analiza los datos del microscopio, no le importa si ese microscopio es el último modelo de la U-M o una máquina de veinte años".

Para desarrollar las nuevas capacidades, el equipo de la U-M se basó en su asociación de larga data con el desarrollador de software Kitware y también incorporó a un equipo de científicos que trabajan en la intersección de la ciencia de datos, la ciencia de materiales y la microscopía.

Al comienzo del proceso, Hovden trabajó con Marcus Hanwell de Kitware y el Laboratorio Nacional de Brookhaven para perfeccionar la idea de una versión de tomviz que permitiera la visualización y experimentación en tiempo real. A continuación, los desarrolladores de Hovden y Kitware colaboraron con el investigador graduado en ingeniería y ciencia de materiales de la U-M Jonathan Schwartz, el investigador de microscopía Yi Jiang y el experto en ciencia de materiales y aprendizaje automático Huihuo Zheng, ambos del Laboratorio Nacional de Argonne, para crear algoritmos que pudieran convertir imágenes de microscopía electrónica de forma rápida y precisa. en visualizaciones 3D.

Una vez que se completaron los algoritmos, el profesor de física de ingeniería y aplicada de Cornell, David Muller, y Peter Ericus, un científico del personal de Molecular Foundry de Berkeley Lab, trabajaron con Hovden para diseñar una interfaz de usuario que admitiría las nuevas capacidades.

Finalmente, Hovden se asoció con el profesor de ciencia e ingeniería de materiales Nicholas Kotov, el científico de datos de pregrado Jacob Pietryga, la investigadora de biointerfaces Anastasiia Visheratina y la investigadora de ingeniería química Prashant Kumar, todos en la U-M, para sintetizar una nanopartícula que podría usarse para pruebas en el mundo real. de las nuevas capacidades, tanto para garantizar su precisión como para mostrar sus capacidades. Se decidieron por una nanopartícula con forma de hélice, de unos 100 nanómetros de ancho y 500 nanómetros de largo. La nueva versión de tomviz funcionó según lo planeado; en cuestión de minutos, generó una imagen sombría pero lo suficientemente detallada como para que los investigadores distinguieran detalles clave como la forma en que se retuerce la nanopartícula, conocida como quiralidad. Aproximadamente 30 minutos más tarde, las sombras se resolvieron en una visualización tridimensional detallada.

El código fuente de la nueva versión beta de tomviz está disponible gratuitamente para su descarga en GitHub. Hovden cree que abrirá nuevas posibilidades a campos más allá de la investigación relacionada con materiales; campos como la biología también están preparados para beneficiarse del acceso a la tomografía electrónica en tiempo real. También espera que el enfoque de "software como ciencia" del proyecto estimule nuevas innovaciones en los campos de la ciencia y el desarrollo de software.

"Realmente tenemos un enfoque interdisciplinario para la investigación en las intersecciones de la informática, la ciencia de los materiales, la física y la química", dijo Hovden. "Una cosa es crear algoritmos realmente geniales que solo usted y sus estudiantes graduados sepan cómo usar. Otra cosa es si puede permitir que los laboratorios de todo el mundo hagan estas cosas de vanguardia".

Los colaboradores de Kitware en el proyecto fueron Chris Harris, Brainna Major, Patrick Avery, Utkarsh Ayachit, Berk Geveci, Alessandro Genova y Hanwell. Kotov también es Profesor Distinguido de Ciencias Químicas e Ingeniería de la Universidad Irving Langmuir, profesor de Ingeniería Joseph B. y Florence V. Cejka, y profesor de ingeniería química y ciencia e ingeniería macromolecular.

"Estoy emocionado por todos los nuevos descubrimientos científicos y visualizaciones 3D que surgirán de la comunidad de ciencia de materiales y microscopía con nuestro nuevo marco de tomografía en tiempo real", dijo Schwartz. + Explora más

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