Os cientistas de materiais normalmente usam microscopia eletrônica de transmissão de fase de solução (TEM) para revelar as propriedades físico-químicas únicas das estruturas tridimensionais (3-D) dos nanocristais. Em um novo relatório sobre Avanços da Ciência , Cyril F. Reboul e uma equipe de pesquisa da Monash University, Austrália, Universidade Nacional de Seul, Coreia do Sul, e o Laboratório Nacional Lawrence Berkeley, nos Estados Unidos, desenvolveu um método de reconstrução 3-D browniano de partícula única. Para conseguir isso, eles obtiveram imagens de conjuntos de nanocristais coloidais usando microscopia eletrônica de transmissão de células líquidas de grafeno. A equipe obteve imagens de projeção de nanocristais girados de forma diferente usando um detector de elétrons direto para obter um conjunto de reconstruções 3-D. Nesse trabalho, eles introduziram métodos computacionais para reconstruir com sucesso nanocristais 3-D em resolução atômica e conseguiram isso rastreando partículas individuais ao longo do tempo, ao subtrair o fundo interferente. O método também pode identificar / rejeitar imagens de baixa qualidade para facilitar estratégias personalizadas para o alinhamento 2-D / 3-D que diferem daquelas na microscopia crioeletrônica biológica. A equipe disponibilizou os desenvolvimentos por meio de um pacote de software de código aberto conhecido como SINGLE. O software gratuito está disponível no GitHub.

Usando SINGLE para Cristalografia

Os pesquisadores sustentaram avanços na cristalografia nos últimos 50 anos para transformar a compreensão existente da química e da biologia. No entanto, alguns alvos, incluindo nanocristais solubilizados, permanecem intratáveis ​​para os métodos cristalográficos tradicionais. Por exemplo, nanocristais coloidais contêm dezenas a centenas de átomos e mantêm uma variedade de aplicações em campos multidisciplinares, incluindo eletrônica, catálise e sensores biológicos. As versatilidades surgem da alta sensibilidade das propriedades nanocristais ao tamanho, composição química e outras variáveis ​​durante a síntese. Tipicamente, cientistas usam uma única partícula, Reconstrução 3-D em biologia estrutural para determinar a estrutura das proteínas. A técnica é relativamente nova para reconstrução 3-D in-situ de nanocristais individuais solubilizados. Nesse trabalho, Reboul et al. desenvolvido SINGLE; um método que se baseou na reconstrução 3-D independente de nanocristais individuais solubilizados, incluindo o movimento browniano. A técnica é um avanço pioneiro no estudo para resolver estruturas atômicas 3-D de nanocristais diretamente da fase de solução.

Os cientistas introduziram novos métodos de pré-processamento para melhorar a relação sinal-ruído (SNR) para rastrear as trajetórias das partículas ao remover o sinal de fundo induzido pelo grafeno. Métodos computacionais avançados podem reconstruir com sucesso em 3-D os dados de microscopia eletrônica de transmissão de célula líquida de grafeno (GLC) in-situ. Em comparação com as técnicas existentes, o trabalho apresentou a aplicabilidade de um método computacional inédito para a obtenção de reconstruções 3-D em resolução atômica para nanocristais dispersos em solução. Eles dividiram o fluxo de trabalho ÚNICO em duas etapas principais (1) pré-processamento e (2) reconstrução 3-D das partículas. Os cientistas tiveram como objetivo fornecer o melhor desempenho e eficiência possíveis em qualquer hardware de CPU, incluindo supercomputadores para estações de trabalho ou até mesmo laptops.

Inicialmente, a equipe calculou a média da janela de tempo em vários quadros com movimento anisotrópico para melhorar a relação sinal-ruído, levando a partículas visíveis e um sinal de grafeno aprimorado. A equipe então identificou as posições das partículas manualmente na média da primeira janela de tempo. Depois disso, a equipe desenvolveu um modelo inicial com base na estrutura cristalográfica esperada, diâmetro de partícula e elementos constituintes e reconstruções 3-D produzidas com coordenadas atômicas ajustadas para análise de estrutura em escala atômica.

Reboul et al. introduziu um novo método de rastreamento usando transformadas rápidas de Fourier e a correlação de fase para identificar um máximo de correlação com a precisão de subpixel. A equipe reduziu a ruído da janela de tempo de extração usando redução de ruído à base de variação total (TV) e redução de ruído combinada e média de tempo para fornecer um método robusto para rastrear o movimento de nanocristais individuais em toda a amostra. O método permitiu que eles discernissem a forma geral dos nanocristais e / ou suas características cristalinas - o que atestou a robustez do algoritmo de rastreamento. Usando o método, eles também recuperaram trajetórias anteriormente desafiadoras para obter reconstruções 3-D e empregaram uma trajetória de partícula subtraída de fundo em todas as etapas de processamento de imagem para subtração de grafeno do GLC (célula líquida de grafeno). A equipe ainda caracterizou a natureza das rotações de nanocristais no espaço altamente confinado da célula líquida de grafeno. O método não era trivial devido à natureza probabilística do algoritmo de reconstrução 3-D. A equipe, portanto, incorporou uma abordagem determinística para melhorar a precisão do cluster, enquanto melhora a relação sinal-ruído em relação aos quadros individuais.

Gerando modelos

Os pesquisadores desenvolveram um modelo inicial usando o conhecimento de que as partículas têm um arranjo de posição atômica aproximadamente cúbica. Eles simularam as densidades atômicas usando fatores de espalhamento atômico 5-Gaussiano. As projeções 2-D da densidade 3-D simulada representaram o caráter das projeções no núcleo do nanocristal, para superar problemas relacionados à simetria translacional e um sinal de fundo interferente. O método de refinamento 3-D em uso para microscopia crioeletrônica biológica não poderia ser diretamente aplicado a dados de séries temporais de nanocristais; Portanto, Reboul et al. introduziu modificações críticas. Eles usaram um esquema de refinamento de dois estágios para estabelecer a forma correta do nanocristal para permitir que os átomos e suas formas conduzam o alinhamento 3-D. Os pesquisadores escolheram três nanocristais de tamanhos variados que não foram reconstruídos anteriormente para benchmarking, em seguida, usando mapas atômicos produzidos com o método, Reboul et al. obteve detalhes estruturais microscópicos no nível atômico. O trabalho também facilitou mapas atômicos detalhando análise de deformação e análise de estrutura de célula unitária.

Validando as reconstruções 3-D

Os pesquisadores ainda geraram um modelo de um nanocristal desordenado usando simulações de dinâmica molecular para entender a aplicabilidade do SINGLE em nanocristais altamente desordenados. Usando simulações multi-slice, eles aplicaram movimento translacional e variações aleatórias de desfocagem para representar o movimento realista das partículas. Eles então obtiveram um mapa de densidade 3-D do nanocristal desordenado de 500 imagens simuladas com uma relação sinal-ruído de 0,1 e um modelo inicial com ordem cristalina perfeita para concordar perfeitamente com as partículas originais. A equipe obteve a distribuição das direções de projeção dos nanocristais rotativos para validar a qualidade da reconstrução 3-D e exigirá mais estudos para entender como as estruturas atômicas reais dos nanocristais afetam a dinâmica rotacional.

Desta maneira, Cyril F. Reboul e colegas demonstraram métodos computacionais em SINGLE para obter mapas de densidade nanocristal com resolução atômica. Usando uma configuração de célula líquida avançada, como células líquidas de grafeno com nanocâmaras ordenadas, a equipe permitiu o controle da espessura do líquido para estender a aplicabilidade do SINGLE para aquisição de dados eficiente. O pacote SINGLE forneceu a primeira plataforma analítica eficiente no estudo para entender a origem estrutural das propriedades físicas e químicas exclusivas dos nanocristais em sua fase de solução nativa.

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