Метод TEM устанавливает трехмерное положение отдельных атомов

Крайне важно понять микроскопическую структуру материала, чтобы понять, как он работает и его функциональные свойства. Развитие в таких областях, как материаловедение, постепенно способствовало установлению этих характеристик еще более высоким разрешениям. Один из методов визуализации в наноразмерном разрешении, просвечивающая электронная микроскопия (TEM), является одним из примеров перспективной технологии в этой области. Исследователи нашли новый способ использования мощности ТЕА для измерения структуры материала с максимально возможным разрешением – определения трехмерной позиции каждого отдельного атома.

Схема предлагаемого трехмерного атомного изображения ТЕА с многослойным методом с четырьмя примерами измерений интенсивности шума при различные углы поворота и трехмерные атомные потенциальные реконструкции и 1D поперечные сечения вдоль направлений x и y. (Image Credit: David Ren)

Представляя свое исследование на Конгрессе OSA Imaging and Applied Optics, который проходил с 25 по 28 июня в Орландо, штат Флорида, США, группа ученых доказала метод с использованием томографии TEM для определения трехмерных положений сильно рассеянных атомов. Посредством имитации команда продемонстрировала, что возможна реконструкция атомных потенциалов с атомным разрешением с использованием только измерений интенсивности изображения, и что это возможно для тех молекул, которые очень чувствительны к электронным пучкам.

Прозрачная электронная микроскопия широко используется как в науке, так и в биологии материалов. Поскольку мы полностью решаем нелинейное распространение электронного пучка, наш метод томографической реконструкции позволит более количественную реконструкцию образцов слабо рассеяния при более высоком или четном атомном разрешении

Колин Офус – Национальный центр электронной микроскопии, Национальная лаборатория Лоуренса Беркли и член исследовательской группы

Точно так же, как компьютерная томография (КТ) для медицинской визуализации в больницах построена с использованием серии 2D поперечных изображений с различными приращениями, электронная томография создает 3D-объем путем поочередного вращения выборок, сбора 2D-изображений. В то время как большинство изображений ТТ в больницах выполняется с использованием рентгеновских лучей для определения особенностей более крупных предметов, таких как кости, лучи электронов, используемые в ТЕА, позволяют ученым наблюдать с значительно более высоким разрешением вплоть до атомного масштаба.

Однако в атомном масштабе нельзя пренебрегать очень сложными квантовыми механическими эффектами образца на электронном пучке. Это означает, что в нашей работе мы должны использовать гораздо более сложный алгоритм для восстановления атомной структуры, чем те, которые используются в МРТ или КТ.

Колин Офус Национальный центр электронной микроскопии, Национальная лаборатория Лоуренса Беркли и член исследовательской группы

Конфигурация TEM, используемая командой, измеряет интенсивность энергии, которая достигает датчика микроскопа, которая пропорциональна числу электронов, которые достигают датчика, число, которое зависит от того, как устроен электронный луч для каждого эксперимента. Используя данные интенсивности, новый алгоритм, составленный командой, сшивал 2D проецируемые изображения в 3D-объем.

Компьютеры будут облагаться налогом экспоненциально больше, чем обработка одиночных 2D-изображений, если есть прыжок в три измерения с большими полями зрения. Для их сортировки они изменили свой алгоритм, который будет использоваться на графических процессорах (GPU), которые могут выполнять в несколько раз больше математических операций параллельно, чем стандартные вычислительные устройства (CPU).

«Мы можем получить результаты за разумное количество времени для реалистичных размеров выборки», сказал, что Дэвид Рен, член команды.

Как правило, с более слабыми связями между их атомами, биомолекулы могут быть позорно трудно исследовать с использованием ТЕА, потому что электронные пучки, используемые для исследования металлического сплава, например, обычно разрывают биомолекулу. Однако уменьшение дозы электрона в образце может образовывать очень шумные изображения; другие используемые в настоящее время алгоритмы не могут восстановить трехмерное изображение. Благодаря более точной физической модели новый алгоритм команды имеет возможность.

Теперь, когда они полностью установили алгоритм реконструкции, команда заявила, что хочет применить то, что они наблюдали, от моделирования экспериментальных данных. Они планируют разделить все свои коды восстановления в качестве открытого источника для исследовательского сообщества.

Source link