Os pesquisadores usam microscopia eletrônica para produzir imagens de alta resolução na escala atômica de tudo, desde nanomateriais compostos a proteínas individuais. A tecnologia fornece informações valiosas sobre a textura, química, e estrutura desses materiais. A pesquisa nas últimas décadas se concentrou em obter resoluções mais altas:ser capaz de criar imagens de materiais em níveis progressivamente mais precisos com mais sensibilidade e contraste. Mas o que o futuro reserva para a microscopia eletrônica?

Andrew Minor é o diretor das instalações do Centro Nacional de Microscopia Eletrônica da Fundição Molecular do Berkeley Lab. Minor também é membro da Divisão de Ciências de Materiais, e professor de ciência de materiais e engenharia na UC Berkeley, é coautor de mais de 190 publicações e recebeu diversos prêmios e homenagens por seu trabalho. O grupo de pesquisa de Minor concentra-se em novos métodos usando microscopia eletrônica para estudar a estrutura em nanoescala e fenômenos em materiais.

P. O futuro da microscopia eletrônica envolve a obtenção de uma resolução ainda maior ou o aprimoramento de outra faceta da tecnologia?

A. Historicamente, resolução era o que as pessoas estavam mais interessadas em promover, e isso aconteceu nos últimos 30 a 40 anos com grande efeito. Os microscópios eletrônicos podem agora atingir a resolução de meia angstrom. Essa é a metade da largura de um átomo de hidrogênio, e um átomo de hidrogênio é o menor átomo que existe. Não há muito o que ver além disso. Portanto, a resolução espacial real não é mais um grande motivador para a maioria das aplicações.

Contudo, a grande ressalva é que esta ótima resolução está realmente disponível apenas perto da temperatura ambiente. Muito do que estamos interessados ​​em estudar não está à temperatura ambiente, e há grandes problemas em alcançar esses tipos de resolução se você for para temperaturas muito baixas ou muito altas. Meu sentimento pessoal é que as melhorias tecnológicas mais impactantes virão da extensão da resolução que conhecemos e amamos em temperatura ambiente para outros ambientes.

P. O que a microscopia eletrônica de alta resolução em temperaturas mais baixas permitiria?

R. Uma coisa que permitiria é obter melhores imagens de materiais que são sensíveis ao feixe de elétrons. Há essa compensação inerente entre o fato de que os elétrons interagem muito fortemente com a matéria, mas isso também significa que eles facilmente danificam o assunto. Um metal ou uma cerâmica podem suportar muitos elétrons, o que chamamos de alta dose de elétrons em um experimento. Você pode obter imagens muito nítidas porque pode enviar muitos elétrons e realmente aumentar a relação sinal / ruído. Na comunidade biológica, ou mesmo com um material macio como um polímero, os próprios elétrons podem causar e causam danos às estruturas muito rapidamente. Isso limita sua capacidade de criar imagens do material em um estado primitivo ou representativo.

Uma maneira que o campo abordou isso é através da microscopia de baixa temperatura, o chamado crioEM, onde você limita ligeiramente o dano ao material porque as coisas estão mais congeladas no lugar e o dano não evolui tão rápido. Mas quando você vai para baixas temperaturas, porque todo o resto da coluna do microscópio está quente em comparação com a baixa temperatura da amostra, sua amostra se move e muda sua posição. E quando você está em alta ampliação, as imagens ficam borradas. Então é por isso que eu pessoalmente acho, e aqui no Berkeley Lab pensamos, a solução para esse problema inerente é esfriar todo o microscópio. Um grande novo conceito que estamos liderando aqui é o de desenvolver um microscópio de temperatura muito baixa que poderia ir a um grau Kelvin. Muitos materiais interessantes existem apenas nessas baixas temperaturas.

P. Em que estágio você está desenvolvendo um microscópio frio e o que ele pode permitir que os pesquisadores façam?

R. Começamos o projeto com o apoio do Programa de Pesquisa e Desenvolvimento Dirigido por Laboratório e temos o apoio do Departamento de Energia por meio da Fundição Molecular para construir um protótipo de sistema de teste de ímã supercondutor para confirmar alguns aspectos de nosso projeto. Também realizamos uma reunião da comunidade em janeiro para examinar os diferentes motivadores da ciência e pensar sobre o que poderia ser feito se você tivesse essa bela resolução em baixas temperaturas para novos materiais. Aspectos completos da física da matéria condensada e da física do estado sólido realmente só existem em baixas temperaturas. O mais óbvio é a supercondutividade:a maioria das pessoas sabe que os supercondutores existem apenas em baixas temperaturas. Você os aquece demais e essa propriedade vai embora. Muitas propriedades são assim nos chamados sistemas fortemente correlacionados, ou materiais quânticos para abreviar. Não fomos capazes de examinar com resolução atômica muitos desses aspectos interessantes dos materiais quânticos por causa dos problemas inerentes de deriva e estabilidade em microscópios disponíveis agora.

Outra capacidade pode ser projetar novos materiais ou melhorar os existentes. Na ciência dos materiais, estamos interessados ​​na correlação entre estrutura e propriedades. Ser capaz de examinar isso na resolução fundamental do material, como átomos, é uma parte crítica do que se passa no desenvolvimento de novos materiais.

P. Quais podem ser outras possibilidades?

A. Os materiais exóticos em planetas distantes existem em temperaturas frias. O que podemos aprender sobre o estudo de materiais que só se formam em baixas temperaturas? O microscópio de baixa temperatura também forneceria um ambiente de alto vácuo, o que seria ideal para observar de perto as superfícies de materiais como partículas catalíticas. Outras coisas que seriam de interesse incluem a ciência básica de observar estruturas quando elas estão lentas e congeladas. Muitos processos são muito rápidos na escala atômica, like ions going back and forth in a battery. It's so fast that usually we can't capture it. Going cold would be one way to try to slow down processes to examine materials dynamically that are too fast to capture at room temperature.

I'm a materials scientist, so I gave you a lot of materials applications. But more broadly, the field of electron microscopy is impacting other fields, such as the biological community, the earth sciences community, microeletrônica, and drug discovery. Going to low temperatures is of interest in these fields because you'll get a better picture and better measurements and enable atomic resolution imaging in an environment that is important for many advanced technologies, like quantum computing.