Pesquisadores do Instituto Nacional de Padrões e Tecnologia (NIST) e seus colaboradores desenvolveram uma maneira de retrofit o microscópio eletrônico de transmissão - um burro de carga científico de longa data para fazer imagens microscópicas nítidas - para que ele também possa criar filmes de super -processos rápidos em escala atômica e molecular. Compatível com microscópios eletrônicos antigos e novos, o retrofit promete permitir novas percepções sobre tudo, desde máquinas microscópicas a chips de computador de última geração e tecido biológico, tornando essa capacidade de produção de filmes mais amplamente disponível para laboratórios em todos os lugares.

"Queremos ser capazes de ver as coisas na ciência dos materiais que acontecem muito rapidamente, "disse a cientista do NIST June Lau. Ela relata a primeira operação de prova de conceito deste projeto adaptado com seus colegas no jornal Revisão de instrumentos científicos . A equipe projetou o retrofit para ser um complemento econômico aos instrumentos existentes. "Espera-se que seja uma fração do custo de um novo microscópio eletrônico, " ela disse.

Uma invenção de quase 100 anos, o microscópio eletrônico continua sendo uma ferramenta essencial em muitos laboratórios científicos. Uma versão popular é conhecida como microscópio eletrônico de transmissão (TEM), que dispara elétrons através de uma amostra alvo para produzir uma imagem. As versões modernas do microscópio podem ampliar objetos em até 50 milhões de vezes. Os microscópios eletrônicos ajudaram a determinar a estrutura dos vírus, testar o funcionamento dos circuitos do computador, e revelar a eficácia de novos medicamentos.

"Os microscópios eletrônicos podem observar coisas muito pequenas na escala atômica, "Lau disse." Eles são ótimos. Mas historicamente, eles olham para coisas que são fixas no tempo. Eles não são bons em visualizar alvos móveis, " ela disse.

Nos últimos 15 anos, microscópios eletrônicos assistidos por laser tornaram os vídeos possíveis, mas esses sistemas são complexos e caros. Embora essas configurações possam capturar eventos que duram de nanossegundos (bilionésimos de segundo) a femtossegundos (quatrilionésimos de segundo), um laboratório muitas vezes deve comprar um microscópio mais novo para acomodar essa capacidade, bem como um laser especializado, com um investimento total que pode chegar a milhões de dólares. Um laboratório também precisa de experiência interna em física de laser para ajudar a configurar e operar esse sistema.

"Francamente, nem todo mundo tem essa capacidade, "Lau disse.

Em contraste, o retrofit permite que os TEMs de qualquer idade façam filmes de alta qualidade na escala de picossegundos (trilionésimos de segundo) usando um "chopper de feixe" relativamente simples. Em princípio, o chopper de feixe pode ser usado em TEM de qualquer fabricante. Para instalá-lo, Os pesquisadores do NIST abrem a coluna do microscópio diretamente sob a fonte de elétrons, insira o cortador de feixe e feche o microscópio novamente. Lau e seus colegas adaptaram com sucesso três TEMs de diferentes capacidades e safras.

Como um estroboscópio, este chopper de feixe libera pulsos de elétrons precisamente cronometrados que podem capturar quadros de importantes processos repetitivos ou cíclicos.

"Imagine uma roda gigante, que se move de forma cíclica e repetível, "Disse Lau." Se estivermos gravando com uma câmera pinhole, ficará embaçado. Mas queremos ver carros individuais. Posso colocar um obturador na frente da câmera pinhole para que a velocidade do obturador corresponda ao movimento da roda. Podemos cronometrar o obturador para abrir sempre que um carro designado vai para o topo. Desta forma, posso fazer uma pilha de imagens que mostram cada carro no topo da roda gigante, " ela disse.

Como o obturador de luz, o chopper de feixe interrompe um feixe de elétrons contínuo. Mas, ao contrário da veneziana, que tem uma abertura que abre e fecha, esta abertura do feixe permanece aberta o tempo todo, eliminando a necessidade de uma peça mecânica complexa.

Em vez de, o chopper de feixe gera uma onda eletromagnética de radiofrequência (RF) na direção do feixe de elétrons. A onda faz com que os elétrons viajantes se comportem "como rolhas balançando para cima e para baixo na superfície de uma onda de água, "Lau disse.

Pegando essa onda, os elétrons seguem um caminho ondulante à medida que se aproximam da abertura. A maioria dos elétrons está bloqueada, exceto aqueles que estão perfeitamente alinhados com a abertura. A frequência da onda de RF é sintonizável, de modo que os elétrons atingem a amostra em qualquer lugar de 40 milhões a 12 bilhões de vezes por segundo. Como resultado, os pesquisadores podem capturar processos importantes na amostra em intervalos de tempo de cerca de um nanossegundo a 10 picossegundos.

Desta maneira, o microscópio adaptado ao NIST pode capturar detalhes em escala atômica dos movimentos de vaivém em máquinas minúsculas, como sistemas microeletromecânicos (MEMS) e sistemas nanoeletromecânicos (NEMS). Ele pode potencialmente estudar os sinais que se repetem regularmente em antenas usadas para comunicações de alta velocidade e sondar o movimento de correntes elétricas em processadores de computador de última geração.

Em uma demonstração, os pesquisadores queriam provar que um microscópio adaptado funcionava como antes do retrofit. Eles criaram imagens de nanopartículas de ouro tanto no modo "contínuo" tradicional quanto no modo de feixe pulsado. As imagens no modo pulsado tinham clareza e resolução comparáveis ​​às imagens estáticas.

"Nós o projetamos para que seja o mesmo, "Lau disse.

O chopper de feixe também pode fazer dupla função, bombear energia de RF na amostra de material e, em seguida, tirar fotos dos resultados. Os pesquisadores demonstraram essa capacidade injetando microondas (uma forma de onda de rádio) em um metal, dispositivo MEMS em forma de pente. As microondas criam campos elétricos dentro do dispositivo MEMS e fazem com que os pulsos de elétrons que chegam sejam desviados. Essas deflexões de elétrons permitem que os pesquisadores construam filmes das microondas que se propagam através do pente MEMS.

Lau e seus colegas esperam que sua invenção possa em breve fazer novas descobertas científicas. Por exemplo, poderia investigar o comportamento de campos magnéticos que mudam rapidamente em dispositivos de memória em escala molecular que prometem armazenar mais informações do que antes.

Os pesquisadores passaram seis anos inventando e desenvolvendo seu cortador de feixe e receberam várias patentes e um prêmio R&D 100 por seu trabalho. Os co-autores do trabalho incluíram o Laboratório Nacional de Brookhaven em Upton, Nova york, e Euclid Techlabs em Bolingbrook, Illinois.

Uma das coisas que deixa Lau mais orgulhoso é que seu design pode dar uma nova vida a qualquer TEM, incluindo a unidade de 25 anos que realizou a última demonstração. O projeto do NIST oferece aos laboratórios de todos os lugares o potencial de usar seus microscópios para capturar processos importantes e rápidos nos materiais de amanhã.

"Democratizar a ciência foi toda a motivação, "Lau disse.