Nas últimas duas décadas, cientistas descobriram que o microscópio óptico pode ser usado para detectar, objetos de rastreamento e imagem muito menores do que seu limite tradicional - cerca de metade do comprimento de onda da luz visível, ou algumas centenas de nanômetros.

Essa pesquisa pioneira, que ganhou o Prêmio Nobel de Química de 2014, permitiu aos pesquisadores rastrear proteínas em ovos fertilizados, visualize como as moléculas formam conexões elétricas entre as células nervosas do cérebro, e estudar o movimento em nanoescala de motores em miniatura.

Agora, desenvolvimentos de pesquisa no Instituto Nacional de Padrões e Tecnologia (NIST) permitem que os microscópios medam esses detalhes em escala nanométrica com um novo nível de precisão.

"Colocamos o microscópio óptico sob um microscópio para obter precisão perto da escala atômica, "disse Samuel Stavis do NIST, que serviu como líder do projeto para esses esforços.

Como os microscópios ópticos não têm sido tradicionalmente usados ​​para estudar a escala nanométrica, eles normalmente carecem da calibração - comparação com um padrão para verificar se um resultado está correto - necessária para obter informações precisas naquela escala. Um microscópio pode ser preciso, indicando consistentemente a mesma posição para uma única molécula ou nanopartícula. Ainda, ao mesmo tempo, pode ser altamente impreciso - a localização do objeto identificado pelo microscópio com uma precisão de um bilionésimo de metro pode, na verdade, faltar milionésimos de metro devido a erros não contabilizados. "Precisão sem exatidão pode ser muito enganosa, "disse Jon Geist, um co-autor do estudo do NIST.

Para resolver o problema, O NIST desenvolveu um novo processo de calibração que examina de perto e corrige esses erros de imagem. O processo usa materiais de referência - objetos com características bem conhecidas e estáveis ​​- que têm potencial para produção em massa e ampla distribuição para laboratórios individuais.

Isso é importante porque os microscópios ópticos são instrumentos de laboratório comuns que podem facilmente ampliar diferentes amostras, variando de delicados espécimes biológicos a dispositivos elétricos e mecânicos. Também, microscópios ópticos estão se tornando cada vez mais eficientes e econômicos à medida que incorporam versões científicas das luzes e câmeras dos smartphones.

A equipe do NIST contou com processos de fabricação em escala nanométrica para desenvolver o material de referência. Os pesquisadores usaram feixes de elétrons e moagem de íons para formar uma série de aberturas de orifícios através de uma fina película de platina em uma lâmina de vidro. O processo permitiu à equipe espaçar as aberturas 5, 000 nanômetros de distância, com uma precisão de cerca de 1 nanômetro. Desta maneira, os pesquisadores construíram uma medida de precisão nas posições de abertura.

O brilho da luz através da série de aberturas cria uma série de pontos para geração de imagens. Mas porque todas as lentes do microscópio têm imperfeições, erros ocorrem inevitavelmente durante a imagem que alteram as posições aparentes dos pontos, fazendo com que o espaçamento entre as aberturas pareça ser maior ou menor do que o espaçamento real projetado pela equipe. O conhecimento do espaçamento real permite a correção dos erros de imagem e calibração do microscópio para medições de posição com alta precisão em um amplo campo de visão.

Mesmo um pequeno erro pode levar a um grande problema. Considerar, por exemplo, um microscópio com uma ampliação real de 103 vezes quando a ampliação esperada, conforme especificado pelo fabricante, é 100 vezes. O erro resultante de 3 por cento aumenta em grandes distâncias em uma imagem de microscópio. Por causa das imperfeições da lente, um problema mais sutil também ocorre - a ampliação do microscópio muda ao longo da imagem, causando distorção da imagem. Para resolver este problema, a equipe do NIST projetou matrizes de abertura e processos de calibração que funcionaram em grandes campos de visão.

As matrizes de abertura, que permitiria aos pesquisadores individuais realizar calibrações em seus próprios laboratórios, poderia melhorar por um fator de 10, 000 a capacidade dos microscópios ópticos de localizar com precisão a posição de moléculas individuais e nanopartículas.

Stavis e seus colegas, incluindo o primeiro autor Craig Copeland do NIST e o Maryland NanoCenter da Universidade de Maryland, relataram suas descobertas em um artigo publicado recentemente em Light:Ciência e Aplicações .

"Identificamos e resolvemos um problema subestimado, "disse Copeland.

Tendo calibrado seu microscópio óptico usando as matrizes, a equipe inverteu o processo, usando seu microscópio para identificar imperfeições nas matrizes de protótipo do processo de nanofabricação. "Testamos os limites da nanofabricação para controlar o espaçamento da abertura, "notável co-autor Rob Ilic, gerente do NanoFab do NIST. A facilidade e a velocidade da microscopia óptica podem facilitar o controle de qualidade de matrizes de abertura em um processo de produção.

Finalmente, a equipe explorou a estabilidade inerente das matrizes de abertura para avaliar se as nanopartículas fluorescentes, frequentemente usado como pontos fixos de referência em microscopia óptica, na verdade, permaneceram fixos em um determinado ponto ou se eles se moveram. Os pesquisadores descobriram que, embora os movimentos não intencionais de seu microscópio óptico tornassem as imagens das nanopartículas borradas, usando a matriz de abertura mostrou que as nanopartículas não estavam realmente se movendo em escalas atômicas.

Esta história foi republicada por cortesia do NIST. Leia a história original aqui.