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  • Nova forma de imagem por feixe de elétrons pode ver elementos que são invisíveis para métodos comuns
    p n MIDI-STEM (direita), desenvolvido no Berkeley Lab, um feixe de elétrons viaja através de uma "placa de fase em anel, "produzindo uma imagem de alta resolução (canto inferior direito) que fornece detalhes sobre uma amostra contendo um elemento pesado (ouro) e um elemento leve (carbono). Detalhes sobre o carbono estão faltando em uma imagem (canto inferior esquerdo) da amostra usando um convencional técnica de imagem eletrônica (ADF-STEM). Crédito:(Colin Ophus / Berkeley Lab, Nature Communications :10.1038 / ncomms10719

    p Os elétrons podem estender nossa visão de objetos microscópicos muito além do que é possível com a luz visível - até a escala atômica. Um método popular em microscopia eletrônica para olhar para difíceis, materiais resilientes em detalhes atômicos são chamados de STEM, ou microscopia eletrônica de transmissão de varredura, mas o feixe de elétrons altamente focalizado usado no STEM também pode destruir facilmente amostras delicadas. p É por isso que usar elétrons para criar imagens de compostos biológicos ou outros compostos orgânicos, como misturas químicas que incluem lítio - um metal leve que é um elemento popular na pesquisa de baterias de última geração - requer uma dose de elétrons muito baixa.

    p Cientistas do Laboratório Nacional Lawrence Berkeley do Departamento de Energia (Berkeley Lab) desenvolveram uma nova técnica de imagem, testado em amostras de ouro e carbono em nanoescala, que melhora muito as imagens de elementos leves usando menos elétrons.

    p A técnica recentemente demonstrada, apelidado de MIDI-STEM, para iluminação combinada e interferometria do detector STEM, combina STEM com um dispositivo óptico chamado placa de fase que modifica a alternância de pico a vale, propriedades ondulatórias (chamadas de fase) do feixe de elétrons.

    p Esta placa de fase modifica o feixe de elétrons de uma forma que permite mudanças sutis em um material a ser medido, até revelando materiais que seriam invisíveis na imagem STEM tradicional.

    p Outro método baseado em elétrons, que os pesquisadores usam para determinar a estrutura detalhada de delicados, amostras biológicas congeladas, é chamado de microscopia crioeletrônica, ou crio-EM. Embora o crio-EM de partícula única seja uma ferramenta poderosa, foi batizado como jornal científico Natureza Método do ano de 2015 - normalmente requer tirar uma média de muitas amostras idênticas para ser eficaz. Cryo-EM geralmente não é útil para estudar amostras com uma mistura de elementos pesados ​​(por exemplo, a maioria dos tipos de metais) e elementos leves como oxigênio e carbono.

    p Esta imagem mostra um padrão de interferência (canto inferior direito) introduzido por um objeto anelado denominado placa de fase (canto superior direito) conforme os elétrons viajam através de uma amostra. O vermelho representa um feixe de elétrons e a onda azul no centro representa a mudança de fase dos elétrons que passam por uma amostra como um movimento ondulatório. À direita está uma técnica desenvolvida pelo Berkeley Lab chamada MIDI-STEM e à esquerda está uma técnica convencional, TRONCO, que não usa uma placa de fase. Crédito:Colin Ophus / Berkeley Lab

    p "O método MIDI-STEM oferece esperança de ver estruturas com uma mistura de elementos pesados ​​e leves, mesmo quando eles estão agrupados juntos, "disse Colin Ophus, um cientista de projeto na Fundição Molecular do Berkeley Lab e principal autor de um estudo, publicado em 29 de fevereiro em Nature Communications , que detalha este método.

    p Se você pegar uma nanopartícula de elemento pesado e adicionar moléculas para dar a ela uma função específica, as técnicas convencionais não fornecem uma maneira fácil, maneira clara de ver as áreas onde a nanopartícula e as moléculas adicionadas se encontram.

    p "Como eles estão alinhados? Como eles são orientados?" Ophus perguntou. "Existem tantas perguntas sobre esses sistemas, e porque não havia uma maneira de vê-los, não podíamos respondê-los diretamente. "

    p Embora o STEM tradicional seja eficaz para amostras "duras" que podem resistir a feixes de elétrons intensos, e o crio-EM pode gerar imagens de amostras biológicas, "Podemos fazer as duas coisas ao mesmo tempo" com a técnica MIDI-STEM, disse Peter Ercius, um cientista da equipe do Berkeley Lab na Molecular Foundry e co-autor do estudo.

    p A placa de fase na técnica MIDI-STEM permite uma medida direta da fase dos elétrons que estão fracamente dispersos conforme interagem com os elementos leves na amostra. Essas medições são então usadas para construir as chamadas imagens de contraste de fase dos elementos. Sem esta informação de fase, as imagens de alta resolução desses elementos não seriam possíveis.

    p Neste estudo, os pesquisadores combinaram a tecnologia de placa de fase com um dos STEMs de maior resolução do mundo, na Fundição Molecular do Berkeley Lab, e um detector de elétrons de alta velocidade.

    p Eles produziram imagens de amostras de nanopartículas de ouro cristalino, que mede vários nanômetros de diâmetro, e o filme superfino de carbono amorfo sobre o qual as partículas se assentam. Eles também realizaram simulações de computador que validaram o que viram no experimento.

    p A tecnologia da placa de fase foi desenvolvida como parte de uma bolsa de Pesquisa e Desenvolvimento Dirigida pelo Laboratório de Berkeley, em colaboração com Ben McMorran da Universidade de Oregon.

    p A técnica MIDI-STEM pode ser particularmente útil para a visualização direta de objetos em nanoescala com uma mistura de materiais pesados ​​e leves, such as some battery and energy-harvesting materials, that are otherwise difficult to view together at atomic resolution.

    p It also might be useful in revealing new details about important two-dimensional proteins, called S-layer proteins, that could serve as foundations for engineered nanostructures but are challenging to study in atomic detail using other techniques.

    p No futuro, a faster, more sensitive electron detector could allow researchers to study even more delicate samples at improved resolution by exposing them to fewer electrons per image.

    p "If you can lower the electron dose you can tilt beam-sensitive samples into many orientations and reconstruct the sample in 3-D, like a medical CT scan. There are also data issues that need to be addressed, " Ercius said, as faster detectors will generate huge amounts of data. Another goal is to make the technique more "plug-and-play, " so it is broadly accessible to other scientists.


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