Cientistas do Ernst Ruska-Center em Forschungszentrum Jülich usaram um microscópio eletrônico de transmissão para registrar quase 3.500 imagens em 3,5 segundos para a reconstrução de um tomograma eletrônico 3D. Anteriormente, Foram necessários 10 a 60 minutos e uma dose de elétrons dez vezes maior para registrar essas sequências de imagens. A nova capacidade é particularmente adequada para examinar células biológicas, bactérias e vírus, cuja estrutura pode ser danificada pelo feixe de elétrons. Além disso, permite processos dinâmicos, como reações químicas e fenômenos de comutação eletrônica, para ser visualizado em tempo real em três dimensões com precisão sub-nanométrica. Os resultados foram publicados na revista Relatórios Científicos .

A tomografia eletrônica está relacionada à tomografia computadorizada, que se tornou indispensável em pesquisas e estudos clínicos. Os tomogramas eletrônicos podem ser obtidos a partir de volumes muito menores do que com as técnicas baseadas em raios-X. A resolução espacial tridimensional da tomografia eletrônica é a mais alta possível com a tecnologia atual. O método é adequado exclusivamente para estudar vírus e bactérias para facilitar o desenvolvimento de medicamentos, ou para obter imagens das estruturas de novos nanomateriais para aplicações que vão da nanoeletrônica à tecnologia de energia.

"A capacidade de acelerar a aquisição de imagens e reduzir a dose de radiação abre novos horizontes, particularmente em ciências da vida e pesquisa de matéria mole, por tomografia eletrônica, "diz o Prof. Rafal Dunin-Borkowski. Nesta técnica, um microscópio eletrônico de transmissão é usado para registrar imagens de uma região de tamanho submicrométrico de diferentes ângulos em rápida sucessão.

"As imagens individuais não mostram seções transversais da amostra. Em vez disso, a informação de diferentes profundidades dentro dela é sobreposta - semelhante a uma imagem de raio-X - e projetada em um plano, "explica o Diretor do Ernst Ruska-Center, que também é Diretor do Instituto de Pesquisa de Microestrutura (PGI-5) no Instituto Peter Grünberg de Jülich. Por esta razão, algoritmos são necessários para um computador calcular uma reconstrução tridimensional do objeto a partir da série de imagens.

A resolução que pode ser alcançada é limitada pelo efeito destrutivo do feixe de elétrons na amostra. Suave, amostras biológicas, em particular, tolera apenas um número limitado de imagens. Suas estruturas sensíveis, por exemplo, aquelas de proteínas, são rapidamente destruídos por elétrons de alta energia. A fim de reduzir a dose de elétrons, os pesquisadores do Ernst Ruska-Center equiparam seu microscópio eletrônico com um novo detector. Esta câmera de detecção de elétron único registra os elétrons de entrada diretamente, sem a necessidade de convertê-los em fótons, ou seja, leve - a prática usual hoje.

"A última geração de chips detectores tem sensibilidade muito alta, o que significa que para a mesma qualidade de imagem é suficiente uma dose de feixe de elétrons duas a três vezes menor, "explica o Dr. Vadim Migunov, do Ernst Ruska-Center e do Instituto Peter Grünberg de Jülich. Seus colegas no Instituto Central de Engenharia de Jülich, Eletrônica e Analítica (ZEA-2) ajudou a desenvolver a eletrônica no chip, o que garante uma velocidade de leitura de dados rápida e, portanto, taxas de gravação extremamente rápidas.

Primeiros testes com nanotubos e catalisadores

Para testar a técnica aprimorada, Vadim Migunov, junto com seus colegas do Ernst Ruska-Center, examinou um nanotubo de lantanídeo inorgânico usando o novo sensor. Essas estruturas são atualmente de interesse porque podem ser adequadas para geração de eletricidade a partir de calor residual ou como novas fontes de luz e catalisadores. Com uma taxa de gravação de aproximadamente 1000 imagens por segundo, A tomografia eletrônica agora pode ser usada para observações em nanoescala de processos rápidos, como reações químicas envolvendo catalisadores, processos de crescimento de cristal ou transições de fase, "explica Vadim Migunov.

Estudos com melhor resolução temporal e espacial podem ajudar a revelar por que a funcionalidade do nanocatalisador é perdida com o tempo. As nanopartículas catalisadoras podem ser usadas para produzir hidrogênio e separar gases de efeito estufa prejudiciais. Sua eficiência depende predominantemente de como os átomos estão dispostos nas superfícies em que ocorrem as reações químicas.

A nova técnica tem vantagens adicionais. Apenas alguns segundos de tempo de computação são necessários para registrar e reconstruir a estrutura tridimensional de um espécime em um computador. O tempo necessário é, portanto, muito curto e os cientistas podem observar experimentos não apenas em 3D, mas também quase "ao vivo".