Los físicos de la Universidad Nacional de Singapur (NUS) han desarrollado una técnica de imágenes computacionales para extraer información tridimensional (3D) de una única micrografía electrónica bidimensional (2D). Este método se puede implementar fácilmente en la mayoría de los microscopios electrónicos de transmisión (TEM), lo que lo convierte en una herramienta viable para obtener imágenes rápidamente de áreas grandes con una resolución 3D a nanoescala (aproximadamente 10 nm).
Comprender las relaciones estructura-función es crucial para la investigación en nanotecnología, incluida la fabricación de nanoestructuras 3D complejas, la observación de reacciones a escala nanométrica y el examen de nanoestructuras 3D autoensambladas en la naturaleza. Sin embargo, la mayoría de los conocimientos estructurales se limitan actualmente a 2D. Esto se debe a que no existen herramientas de imágenes 3D a nanoescala rápidas y de fácil acceso, que requieren instrumentación especializada o grandes instalaciones como sincrotrones.
Un equipo de investigación de NUS abordó este desafío ideando un esquema computacional que utiliza la física de la interacción electrón-materia y materiales previos conocidos para determinar la profundidad y el espesor de la región local del espécimen. De manera similar a cómo un libro emergente convierte páginas planas en escenas tridimensionales, este método utiliza valores locales de profundidad y espesor para crear una reconstrucción 3D del espécimen que puede proporcionar información estructural sin precedentes. Los hallazgos se publican en la revista Communications Physics. .
Dirigido por el profesor asistente N. Duane LOH de los Departamentos de Física y Ciencias Biológicas de NUS, el equipo de investigación descubrió que las motas en una micrografía TEM contienen información sobre la profundidad de la muestra. Explicaron las matemáticas detrás de por qué los valores de desenfoque local de una micrografía TEM apuntan al centro de masa del espécimen.
La ecuación derivada indica que una sola micrografía 2D tiene una capacidad limitada para transmitir información 3D. Por lo tanto, si la muestra es más gruesa, resulta más difícil determinar con precisión su profundidad.
Los autores mejoraron su método para demostrar que esta técnica de metrología emergente se puede aplicar simultáneamente en múltiples capas de muestras con algunos antecedentes adicionales. Este avance abre la puerta a la obtención de imágenes 3D rápidas de muestras complejas de múltiples capas.
Esta investigación continúa la integración continua del equipo del aprendizaje automático con la microscopía electrónica para crear lentes computacionales para obtener imágenes de dinámicas invisibles que ocurren a nivel de nanoescala.
El Dr. Deepan Balakrishnan, el primer autor, dijo:"Nuestro trabajo muestra el marco teórico para la obtención de imágenes 3D de un solo disparo con TEM. Estamos desarrollando un método generalizado utilizando modelos de aprendizaje automático basados en la física que aprenden materiales previos y proporcionan relieve 3D para cualquier Proyección 2D."
El equipo también prevé generalizar aún más la formulación de la metrología emergente más allá de los TEM a cualquier sistema de imágenes coherente para muestras ópticamente gruesas (es decir, rayos X, electrones, fotones de luz visible, etc.).
El profesor Loh añadió:"Al igual que la visión humana, inferir información 3D a partir de una imagen 2D requiere contexto. La ventana emergente es similar, pero el contexto proviene del material en el que nos enfocamos y de nuestra comprensión de cómo los fotones y electrones interactúan con ellos". P>
Más información: Deepan Balakrishnan et al, Metrología 3D emergente, coherente y de disparo único, Física de las comunicaciones (2023). DOI:10.1038/s42005-023-01431-6
Información de la revista: Física de las Comunicaciones
Proporcionado por la Universidad Nacional de Singapur
