Pesquisadores da Universidade de Illinois em Urbana-Champaign mostraram pela primeira vez que microscópios caros com correção de aberrações não são mais necessários para atingir resolução microscópica recorde.



O campo da microscopia está no meio de uma grande revolução. Desde 1800 e a invenção do microscópio óptico composto, ocorreram apenas alguns grandes saltos na resolução para ver diferentes escalas de comprimento:de bactérias e células a vírus e proteínas, e até mesmo a átomos individuais.

Geralmente, à medida que a resolução tem dado saltos incríveis, o mesmo acontece com o preço dos microscópios usados ​​para atingir essa resolução. Esses preços elevados limitam severamente a acessibilidade destes instrumentos. O atual salto na resolução vem de uma nova técnica chamada pticografia eletrônica – um método que usa computação para aumentar a resolução dos microscópios eletrônicos – que conquistou o campo nos últimos 5-6 anos.

Pesquisadores da Universidade de Illinois Urbana-Champaign demonstraram resolução recorde usando pticografia eletrônica em microscópios eletrônicos de transmissão "convencionais" (significado convencional sem corretores de aberração caros). Isso quebra a tendência de aumento do preço do microscópio com o aumento da resolução. Eles foram capazes de alcançar uma resolução espacial sub-angstrom profunda de até 0,44 angstrom (um angstrom é um décimo bilionésimo de metro), que excede a resolução de ferramentas corrigidas de aberração e rivaliza com suas resoluções pticográficas mais altas.

"Nos últimos 90-100 anos, nossa área tem pensado que a maneira de fazer uma excelente microscopia é fazer microscópios cada vez melhores", diz o professor de ciência e engenharia de materiais Pinshane Huang, que liderou este trabalho. "O mais interessante da nossa pesquisa é que estamos mostrando que não é necessário um microscópio de última geração para fazer isso funcionar. Podemos pegar um microscópio 'convencional' e fazer a mesma coisa, usando pticografia, e é simplesmente tão bom! Isso é incrível porque pode haver uma diferença de vários milhões de dólares no custo entre as duas configurações."

Esta pesquisa, de co-autoria da ex-pesquisadora de pós-doutorado da MatSE UIUC Kayla Nguyen, da ex-aluna de pós-graduação da MatSE UIUC Chia-Hao Lee e do cientista da equipe do Laboratório Nacional de Argonne Yi Jiang, foi publicada recentemente na revista Science .

Antes da pticografia, os microscópios eletrônicos de mais alta resolução usavam uma tecnologia chamada correção de aberração para permitir que os cientistas vissem átomos individuais. Em vez de usar um feixe de luz para sondar uma amostra, os microscópios eletrônicos usam um feixe de elétrons, focado por eletroímãs.

Os elétrons têm comprimentos de onda milhares de vezes menores que a luz visível, o que permite que os microscópios eletrônicos resolvam objetos que são muitas vezes menores do que os que podem ser vistos com microscópios ópticos. Os cientistas utilizam estes microscópios para descodificar as estruturas de objetos que vão desde a proteína spike do vírus COVID-19 até aos arranjos dos átomos no grafeno e, de forma mais geral, para perscrutar o interior da matéria para compreender a sua estrutura atómica, composição e ligação.

No entanto, um dos desafios do uso de feixes de elétrons é focar esse feixe. “É impossível fazer uma lente perfeita para os elétrons”, diz Huang. “O que as pessoas têm feito para compensar é fabricar lentes ‘ruins’ e depois colocar corretores de aberração depois delas, que são uma série de lentes ‘ruins’ que são ‘ruins’ de maneiras opostas. , e esse tem sido o padrão ouro para a forma como criamos imagens em escala atômica por pelo menos 20 anos."

Em óptica, uma aberração é qualquer forma pela qual uma lente se desvia de uma lente perfeita. Por exemplo, os olhos humanos podem ter vários tipos de aberrações, como miopia e miopia (os olhos não conseguem focar em todas as distâncias) e astigmatismo (curvatura do globo ocular que causa visão turva).

Lee explica:"Para lentes eletromagnéticas, a maneira de focar esses elétrons é através de um campo eletromagnético. Mas não temos uma ótima maneira de controlar a forma e a força do campo eletromagnético, o que coloca uma limitação muito forte na precisão podemos focar esses elétrons."

Na microscopia com correção de aberrações, a atual tecnologia de ponta, há uma pilha extra de lentes para corrigir as aberrações das lentes normais, que alteram a forma do feixe antes de atingir a amostra. Essas lentes extras de correção de aberrações são onde custos significativos são adicionados ao microscópio.

Embora seja impossível fabricar lentes perfeitas, o objetivo dos últimos 100 anos tem sido fabricar continuamente lentes melhores para minimizar as aberrações. Mas Huang diz:"O que é interessante na pticografia é que você não precisa fabricar lentes cada vez melhores. O que podemos fazer é usar computadores".

Em vez de usar uma pilha de lentes ópticas para remover aberrações, a pticografia as remove computacionalmente. Com uma nova geração de detectores, chamados detectores de pixels híbridos, que custam algumas centenas de milhares de dólares (em comparação com microscópios com correção de aberrações que custam até US$ 7 milhões) e algoritmos de computador, esse método pode dobrar, triplicar ou até quadruplicar a resolução do que um microscópio pode alcançar com suas lentes físicas.

Huang e sua equipe mostraram que sua abordagem quadruplica a resolução dos microscópios eletrônicos de transmissão convencionais. Além disso, quase qualquer microscópio eletrônico de transmissão de varredura pode agora ser adaptado para obter resolução de última geração por uma fração do custo.

Embora essa abordagem seja revolucionária, Huang observa que a pticografia ainda é uma técnica desafiadora que requer muito poder computacional. Pode levar horas para que uma única reconstrução alcance a melhor resolução. Mas, tal como acontece com muitas outras tecnologias, a computação avança muito rapidamente e torna-se mais barata, mais rápida e mais fácil de utilizar.

"Trouxemos uma técnica de ponta, a pticografia eletrônica, para os microscópios eletrônicos de transmissão convencionais para mostrar pela primeira vez que um microscópio 'medíocre' pode funcionar tão bem quanto os microscópios mais caros do mercado", diz Huang.

"Isso é significativo para as centenas de instituições em todo o país e em todo o mundo que anteriormente não podiam pagar pela tecnologia de ponta. Agora, tudo o que precisam é de um detector, alguns computadores e fotografia eletrônica. E depois de fazer isso, você pode ver o mundo atômico com muito mais detalhes do que se imaginava há 10 anos. Isso representa uma enorme mudança de paradigma."

Mais informações: Kayla X. Nguyen et al, Alcançando pticografia com resolução inferior a 0,5 angstrom em um microscópio eletrônico não corrigido, Science (2024). DOI:10.1126/science.adl2029
Fornecido pela Faculdade de Engenharia Grainger da Universidade de Illinois