Os pesquisadores do laboratório de física da Universidade de Oregon de Ben McMorran tiveram um ótimo 2018, publicando quatro artigos sobre seus esforços para dar uma nova vida aos microscópios eletrônicos de transmissão de varredura para pesquisas médicas e de materiais.

Eles criaram uma técnica, Holografia STEM, que envia elétrons ao longo de dois caminhos separados, um passando por uma amostra e outro não. Isso permite medir o atraso entre eles para criar uma imagem de alta resolução. Ele fornece resolução atômica aprimorada da estrutura externa de uma amostra e revela interfaces nunca vistas anteriormente entre uma amostra e o material subjacente.

Os pesquisadores testaram sua técnica em nanopartículas de ouro, substratos de carbono e campos elétricos. Eventualmente, pode ser ajustado para uso em amostras biológicas vivas, disse McMorran, professor associado do Departamento de Física.

“Essa técnica nos permite estudar materiais em alta resolução, medi-los com precisão e entendê-los melhor do que era possível antes, "disse o estudante de doutorado Fehmi Yasin." Podemos criar imagens de materiais biomoleculares em resolução atômica sem destruí-los? Ainda não, mas nossa técnica é um bom primeiro passo. "

Pesquisadores na Alemanha, O Japão e os Estados Unidos teorizaram há 30 anos que tal abordagem era possível, mas a tecnologia disponível não permitiu que eles demonstrassem isso como uma técnica de imagem prática, Yasin disse. Pesquisadores UO agora mostraram - usando microscópios no UO, Lawrence Berkeley National Laboratory e Hitachi Ltd. Research and Development Group no Japão - que a holografia STEM funciona.

A técnica se baseia na holografia eletrônica, outro avanço recente que requer tecnologia de ponta, canhões de elétrons de custo proibitivo, aberturas especialmente construídas e fontes de alimentação altamente estáveis ​​para fornecer resolução em escala atômica.

"Usando holografia STEM flexível, uma ramificação que desenvolvemos em colaboração com Toshiaki Tanigaki da Hitachi, agora podemos capturar com mais precisão as geometrias interessantes dos materiais, "Yasin disse, "Anteriormente, o campo de visão da holografia STEM foi limitado a talvez 30 nanômetros. O uso de holografia STEM flexível expande o campo de visão. "

O primeiro microscópio eletrônico de transmissão foi feito na Alemanha por Max Knoll, um engenheiro eletricista, e Ernst Ruska, um físico, em 1931. A primeira versão comercial surgiu em 1939. Ruska ganhou o Prêmio Nobel de Física por seus esforços em 1986.

Os microscópios multimilionários criam micrografias à medida que um feixe de elétrons passa por uma fatia fina de uma amostra. Tradicionalmente, em microscópios eletrônicos de transmissão de varredura, campos magnéticos são usados ​​para focar o feixe em um ponto do tamanho de um átomo de uma amostra. Esse feixe, então, é escaneado em uma amostra, mas um grande número de elétrons é necessário para ver qualquer coisa, porque a maioria deles passa por uma amostra sem ser desviada.

A abordagem UO coloca uma rede de difração acima de uma amostra, criar feixes adicionais atingindo a amostra e um holograma abaixo dela. Isso captura sinais de elétrons que não estão espalhados e detalhes sobre como outros são retardados conforme passam por uma amostra.

A recente série de artigos confirmou que a holografia STEM corresponde às simulações de computador.

"Colocamos o microscópio eletrônico em condições onde poderíamos isolar o sinal que nos interessa, e vimos vários tipos diferentes de amostras, "disse o ex-aluno de doutorado da UO, Tyler Harvey, agora é pesquisador de pós-doutorado na Universidade de Göttingen. "Também simulamos imagens de uma amostra e descobrimos que as simulações combinavam muito bem com o experimento."

Em um jornal de dezembro liderado por Harvey na revista Revisão Física Aplicada , a equipe UO detalhou a técnica e como ela funciona teoricamente.

Em um papel separado em Nano Letras , uma equipe liderada por Yasin mostrou que a técnica fornece imagens com resolução subnanométrica de materiais à base de carbono. A cor representa a espessura, que adiciona uma terceira dimensão e melhora as medições.

As imagens eram tão claras quanto o esperado com baixo número de elétrons, os pesquisadores notaram.

"Acreditamos que a holografia STEM será uma ótima ferramenta para a ciência e biologia dos materiais, "Harvey disse." A técnica realmente se destaca na geração de imagens de campos elétricos e magnéticos, e pode fazer isso enquanto faz a coisa com a qual a maioria dos cientistas de materiais se preocupa:ver onde estão os átomos. "

A capacidade de usar a técnica em espécimes biológicos ainda está muito longe, mas ser capaz de fazer isso com segurança pode ter grandes recompensas, Yasin disse.

"Agora temos muitos medicamentos que atacam a composição do câncer, "Yasin disse." Mas essa composição é semelhante em todo o nosso corpo, portanto, esses medicamentos contra o câncer atacam simultaneamente as células doentes e as outras células do corpo. Se soubéssemos a posição de cada átomo na célula cancerosa, poderíamos desenvolver muito melhor, drogas mais eficazes, sem os efeitos colaterais mortais. "

McMorran escreveu pela primeira vez sobre a ideia de usar uma abordagem de holograma em um artigo de janeiro de 2011 na Science, quando ele estava com o Instituto Nacional de Padrões e Tecnologia em Maryland.

Em seu laboratório UO, apoiado pela National Science Foundation e pelo Departamento de Energia dos EUA, pesquisadores têm buscado quatro áreas, todos os quais procuram obter imagens de porções de materiais que têm sido difíceis de detectar.

As quatro áreas se concentram em materiais transparentes, incluindo biomateriais ou outras moléculas orgânicas; campos elétricos, como a carga e sua distribuição em transistores simples; Campos magnéticos, como materiais agora em discos rígidos e potencialmente úteis em spintrônica; e elétrons e qubits para uso em computadores quânticos.

"Quaisquer quatro dessas coisas podem não funcionar, "disse McMorran, que também é membro do Instituto de Ciência de Materiais e do Oregon Center for Optical, Molecular and Quantum Science. "Pode haver uma técnica melhor que acaba sendo a melhor para alguns. Podemos estar desenvolvendo uma ferramenta útil para obter todas as quatro possibilidades ou talvez apenas uma delas. No momento, todas as setas apontam para os quatro. "