Compreender a estrutura microscópica de um material é a chave para entender como ele funciona e suas propriedades funcionais. Os avanços em campos como a ciência dos materiais aumentaram cada vez mais as habilidades de determinar esses recursos para resoluções ainda mais altas. Uma técnica de geração de imagens em resolução em nanoescala, microscopia eletrônica de transmissão (TEM), é um exemplo de tecnologia promissora nesta área. Cientistas descobriram recentemente uma maneira de aproveitar o poder do TEM para medir a estrutura de um material na resolução mais alta possível - determinando a posição 3-D de cada átomo individual.

Apresentando seu trabalho no Congresso OSA Imaging and Applied Optics de 25 a 28 de junho, em Orlando, Flórida, EUA, uma equipe de pesquisadores demonstrou uma técnica usando tomografia TEM para determinar as posições 3-D de átomos fortemente dispersos. Por meio de simulação, o grupo mostrou que é possível reconstruir os potenciais atômicos com resolução atômica usando apenas medidas de intensidade de imagem, e que é possível fazer isso em moléculas que são muito sensíveis a feixes de elétrons.

"A microscopia eletrônica de transmissão é amplamente utilizada na ciência dos materiais e na biologia, "disse Colin Ophus, Centro Nacional de Microscopia Eletrônica, Lawrence Berkeley National Lab, Berkeley, Califórnia, e um membro da equipe de pesquisa. "Porque resolvemos totalmente a propagação não linear do feixe de elétrons, nosso método de reconstrução tomográfica permitirá uma reconstrução mais quantitativa de amostras de espalhamento fraco, em resolução mais alta ou até mesmo atômica. "

Semelhante à forma como as tomografias computadorizadas (TC) realizadas para imagens médicas em hospitais são construídas usando uma série de imagens seccionais bidimensionais em incrementos diferentes, a tomografia de elétrons constrói um volume tridimensional girando amostras incrementalmente, coleta de imagens bidimensionais. Embora a maioria das imagens de TC em hospitais seja feita com raios-x para determinar características de coisas maiores, como ossos, os feixes de elétrons usados ​​no TEM permitem que os pesquisadores olhem com resolução significativamente maior, até a escala atômica.

"Contudo, na escala atômica, não podemos negligenciar os efeitos muito complexos da mecânica quântica da amostra no feixe de elétrons, "Disse Ophus." Isso significa em nosso trabalho, devemos usar um algoritmo muito mais sofisticado para recuperar a estrutura atômica do que aqueles usados ​​em uma ressonância magnética ou tomografia computadorizada. "

A configuração TEM que o grupo usou mediu a intensidade de energia que atinge o sensor do microscópio, que é proporcional ao número de elétrons que atingem o sensor, um número que depende de como o feixe de elétrons é configurado para cada experimento. Usando os dados de intensidade, o novo algoritmo projetado pelo grupo costurou as imagens projetadas bidimensionais em um volume 3-D.

Saltando para três dimensões com grandes campos de visão, Contudo, pode sobrecarregar os computadores exponencialmente mais do que lidar com imagens 2-D únicas. Para contornar isso, eles modificaram seu algoritmo para ser usado em unidades de processamento gráfico (GPUs), que podem realizar muitas vezes mais operações matemáticas em paralelo do que as unidades de processamento de computador (CPUs) típicas.

"Somos capazes de obter resultados em um período de tempo razoável para dimensões de amostra realistas, "disse David Ren, um membro da equipe.

Com ligações geralmente mais fracas entre seus átomos, biomoléculas podem ser notoriamente difíceis de estudar usando TEM porque os feixes de elétrons usados ​​para estudar uma liga metálica, por exemplo, normalmente separaria uma biomolécula. Reduzindo a dosagem de elétrons em uma amostra, no entanto, pode criar imagens que são tão barulhentas, outros algoritmos atualmente em uso não podem reconstruir uma imagem 3D. Graças a um modelo físico mais preciso, o novo algoritmo da equipe tem essa habilidade.

Agora que desenvolveram totalmente o algoritmo de reconstrução, a equipe disse que espera aplicar o que observaram nas simulações aos dados experimentais. Eles planejam disponibilizar todos os seus códigos de reconstrução como código-fonte aberto para a comunidade de pesquisa em geral.