Os microscópios de força atômica (AFMs) de última geração são projetados para capturar imagens de estruturas tão pequenas quanto uma fração de nanômetro - um milhão de vezes menor que a largura de um cabelo humano. Nos últimos anos, AFMs produziram closes dignos de desktop de estruturas do tamanho de átomos, de fitas simples de DNA a ligações de hidrogênio individuais entre moléculas.

Mas escanear essas imagens é meticuloso, processo demorado. AFMs, portanto, têm sido usados ​​principalmente para amostras estáticas de imagem, porque são muito lentos para capturar ativos, ambientes em mudança.

Agora, os engenheiros do MIT projetaram um microscópio de força atômica que faz a varredura de imagens 2, 000 vezes mais rápido do que os modelos comerciais existentes. Com este novo instrumento de alta velocidade, a equipe produziu imagens de processos químicos ocorrendo em nanoescala, a uma taxa próxima a de um vídeo em tempo real.

Em uma demonstração das capacidades do instrumento, os pesquisadores escanearam uma amostra de calcita de 70 por 70 mícrons quando ela foi primeiro imersa em água deionizada e depois exposta ao ácido sulfúrico. A equipe observou o ácido corroendo a calcita, expandir poços existentes de tamanho nanométrico no material que rapidamente se fundiram e levaram a uma remoção camada por camada de calcita ao longo do padrão de cristal do material, durante um período de vários segundos.

Kamal Youcef-Toumi, professor de engenharia mecânica no MIT, diz que a sensibilidade e a velocidade do instrumento permitirão aos cientistas assistir a processos de tamanho atômico como "filmes" de alta resolução.

"As pessoas podem ver, por exemplo, condensação, nucleação, dissolução, ou deposição de material, e como isso acontece em tempo real - coisas que as pessoas nunca viram antes, “Youcef-Toumi diz.“ É fantástico ver esses detalhes surgindo. E abrirá grandes oportunidades para explorar todo este mundo que está em nanoescala. "

O design e as imagens do grupo, que são baseados no trabalho de doutorado de Iman Soltani Bozchalooi, agora um pós-doutorado no Departamento de Engenharia Mecânica, são publicados na revista Ultramicroscopy.

A grande imagem

Microscópios de força atômica normalmente fazem a varredura de amostras usando uma sonda ultrafina, ou agulha, que desliza ao longo da superfície de uma amostra, traçando sua topografia, da mesma forma que uma pessoa cega lê Braille. As amostras ficam em uma plataforma móvel, ou scanner, que move a amostra lateralmente e verticalmente sob a sonda. Porque AFMs escaneiam estruturas incrivelmente pequenas, os instrumentos têm que funcionar devagar, linha por linha, para evitar movimentos repentinos que possam alterar a amostra ou borrar a imagem. Esses microscópios convencionais tipicamente varrem cerca de uma a duas linhas por segundo.

"Se a amostra for estática, não há problema em levar de 8 a 10 minutos para tirar uma foto, "Youcef-Toumi diz." Mas se é algo que está mudando, então imagine se você começar a digitalizar de cima bem devagar. Quando você chega ao fundo, a amostra mudou, e assim as informações na imagem não estão corretas, uma vez que foi esticado ao longo do tempo. "

Para acelerar o processo de digitalização, cientistas tentaram construir menores, plataformas mais ágeis que fazem a varredura de amostras mais rapidamente, embora em uma área menor. Bozchalooi diz que tais scanners, enquanto rápido, não permita que os cientistas diminuam o zoom para ter uma visão mais ampla ou estudar características maiores.

"É como se você estivesse pousando em algum lugar dos Estados Unidos e não tivesse ideia de onde está pousando, e são informados de onde quer que você desembarque, você só pode olhar alguns quarteirões ao redor e até uma altura limitada, "Bozchalooi diz." Não há como você ter uma visão maior. "

Digitalizando em sincronia

Bozchalooi criou um design para permitir a digitalização de alta velocidade em intervalos grandes e pequenos. A principal inovação está centrada em um scanner multiactuado e seu controle:uma plataforma de amostra incorpora um scanner menor, scanner mais rápido, bem como maior, scanner mais lento para todas as direções, que funcionam juntos como um sistema para varrer uma ampla região 3-D em alta velocidade.

Outras tentativas de scanners multiactuated foram frustradas, principalmente devido às interações entre scanners:O movimento de um scanner pode afetar a precisão e o movimento do outro. Os pesquisadores também descobriram que é difícil controlar cada scanner separadamente e fazer com que funcionem com todos os outros componentes de um microscópio. Para digitalizar cada nova amostra, Bozchalooi diz que um cientista precisaria fazer várias afinações e ajustes em vários componentes do instrumento.

Para simplificar o uso do instrumento multiactuado, Bozchalooi desenvolveu algoritmos de controle que levam em consideração o efeito de um scanner sobre o outro.

"Nosso controlador pode mover o pequeno scanner de uma forma que não empolgue o grande scanner, porque sabemos que tipo de movimento aciona este scanner, e vice versa, "Bozchalooi diz." No final, eles estão trabalhando em sincronia, então, da perspectiva do cientista, este scanner parece um único, alta velocidade, scanner de grande alcance que não adiciona nenhuma complexidade à operação do instrumento. "

Depois de otimizar outros componentes do microscópio, como a ótica, instrumentação, e sistemas de aquisição de dados, a equipe descobriu que o instrumento foi capaz de escanear uma amostra de calcita para frente e para trás, sem qualquer dano à sonda ou amostra. O microscópio varre uma amostra mais rápido do que 2, 000 hertz, ou 4, 000 linhas por segundo - 2, 000 vezes mais rápido do que os AFMs comerciais existentes. Isso se traduz em cerca de oito a 10 quadros por segundo. Bozchalooi diz que o instrumento não tem limite na faixa de imagem e para uma velocidade máxima da sonda, pode varrer centenas de mícrons, bem como recursos de imagem com vários mícrons de altura.

"Queremos ir para um vídeo real, que é pelo menos 30 quadros por segundo, "Youcef-Toumi diz." Esperançosamente podemos trabalhar no aprimoramento do instrumento e controles para que possamos fazer imagens de taxa de vídeo, mantendo seu amplo alcance e mantendo-o amigável. Isso seria algo ótimo de ver. "