Projetistas de chips de computador, cientistas de materiais, biólogos e outros cientistas agora têm um nível sem precedentes de acesso ao mundo dos materiais em nanoescala graças ao software de visualização 3D que se conecta diretamente a um microscópio eletrônico, permitindo que os pesquisadores vejam e manipulem visualizações 3D de nanomateriais em tempo real .
Desenvolvido por uma equipe de engenheiros e desenvolvedores de software liderada pela Universidade de Michigan, os recursos estão incluídos em uma nova versão beta do tomviz, uma ferramenta de visualização de dados 3D de código aberto que já é usada por dezenas de milhares de pesquisadores. A nova versão reinventa o processo de visualização, possibilitando passar de amostras de microscópio para visualizações 3D em minutos ao invés de dias.

Além de gerar resultados mais rapidamente, os novos recursos permitem que os pesquisadores vejam e manipulem visualizações 3D durante um experimento em andamento. Isso poderia acelerar drasticamente a pesquisa em campos como microprocessadores, baterias de veículos elétricos, materiais leves e muitos outros.

"Tem sido um sonho antigo da indústria de semicondutores, por exemplo, poder fazer tomografia em um dia, e aqui reduzimos para menos de uma hora", disse Robert Hovden, professor assistente de ciência de materiais e engenharia na U-M e autor correspondente no artigo, publicado em Nature Communications . "Você pode começar a interpretar e fazer ciência antes mesmo de terminar um experimento."

Hovden explica que o novo software extrai dados diretamente de um microscópio eletrônico à medida que são criados e exibe os resultados imediatamente, uma mudança fundamental em relação às versões anteriores do tomviz. No passado, os pesquisadores coletavam dados do microscópio eletrônico, que tira centenas de imagens de projeção bidimensional de um nanomaterial de vários ângulos diferentes. Em seguida, eles levaram as projeções de volta ao laboratório para interpretá-las e prepará-las antes de alimentá-las ao tomviz, o que levaria várias horas para gerar uma visualização 3D de um objeto. Todo o processo levava dias a uma semana, e um problema com uma etapa do processo geralmente significava começar de novo.

A nova versão do tomviz faz toda a interpretação e processamento no local. Os pesquisadores obtêm uma renderização 3D sombria, mas útil, em poucos minutos, que melhora gradualmente em uma visualização detalhada.

"Quando você está trabalhando em um mundo invisível como os nanomateriais, você nunca sabe realmente o que vai encontrar até começar a vê-lo", disse Hovden. "Portanto, a capacidade de começar a interpretar e fazer ajustes enquanto você ainda está no microscópio faz uma enorme diferença no processo de pesquisa."

A pura velocidade do novo processo também pode ser útil na indústria – fabricantes de chips semicondutores, por exemplo, podem usar tomografia para executar testes em novos designs de chips, procurando falhas em circuitos tridimensionais em nanoescala muito pequenos para serem vistos. No passado, o processo de tomografia era muito lento para executar as centenas de testes necessários em uma instalação comercial, mas Hovden acredita que o tomviz poderia mudar isso.

Hovden enfatiza que o tomviz pode ser executado em um laptop padrão para consumidores. Ele pode se conectar a modelos mais novos ou mais antigos de microscópios eletrônicos. E por ser de código aberto, o software em si é acessível a todos.

"O software de código aberto é uma ótima ferramenta para capacitar a ciência globalmente. Fizemos a conexão entre o tomviz e o microscópio agnóstico com o fabricante do microscópio", disse Hovden. "E como o software apenas analisa os dados do microscópio, não importa se esse microscópio é o modelo mais recente da U-M ou uma máquina de vinte anos."

Para desenvolver os novos recursos, a equipe da U-M baseou-se em sua parceria de longa data com o desenvolvedor de software Kitware e também trouxe uma equipe de cientistas que trabalham na interseção de ciência de dados, ciência de materiais e microscopia.

No início do processo, Hovden trabalhou com Marcus Hanwell, da Kitware e do Brookhaven National Laboratory, para aprimorar a ideia de uma versão do tomviz que permitiria visualização e experimentação em tempo real. Em seguida, os desenvolvedores de Hovden e Kitware colaboraram com o pesquisador de pós-graduação em ciência e engenharia de materiais da U-M Jonathan Schwartz, o pesquisador de microscopia Yi Jiang e o especialista em aprendizado de máquina e ciência de materiais Huihuo Zheng, ambos do Laboratório Nacional de Argonne, para construir algoritmos que pudessem transformar com rapidez e precisão imagens de microscopia eletrônica em visualizações 3D.

Depois que os algoritmos foram concluídos, o professor de física aplicada e de engenharia da Cornell, David Muller, e Peter Ericus, cientista da equipe da Fundição Molecular do Berkeley Lab, trabalharam com Hovden para projetar uma interface de usuário que suportasse os novos recursos.

Finalmente, Hovden se uniu ao professor de ciência e engenharia de materiais Nicholas Kotov, ao cientista de dados de graduação Jacob Pietryga, ao pesquisador de biointerfaces Anastasiia Visheratina e ao pesquisador de engenharia química Prashant Kumar, todos da U-M, para sintetizar uma nanopartícula que poderia ser usada para testes no mundo real dos novos recursos, tanto para garantir sua precisão quanto para mostrar suas capacidades. Eles se estabeleceram em uma nanopartícula em forma de hélice, com cerca de 100 nanômetros de largura e 500 nanômetros de comprimento. A nova versão do tomviz funcionou conforme o planejado; em poucos minutos, gerou uma imagem sombria, mas detalhada o suficiente para os pesquisadores identificarem detalhes importantes, como a forma como a nanopartícula se torce, conhecida como quiralidade. Cerca de 30 minutos depois, as sombras se transformaram em uma visualização tridimensional detalhada.

O código-fonte da nova versão beta do tomviz está disponível gratuitamente para download no GitHub. Hovden acredita que abrirá novas possibilidades para campos além da pesquisa relacionada a materiais; áreas como a biologia também devem se beneficiar do acesso à tomografia eletrônica em tempo real. Ele também espera que a abordagem "software como ciência" do projeto estimule novas inovações nas áreas de ciência e desenvolvimento de software.

"Nós realmente temos uma abordagem interdisciplinar para pesquisar nas interseções da ciência da computação, ciência dos materiais, física, química", disse Hovden. "Uma coisa é criar algoritmos muito legais que só você e seus alunos de pós-graduação sabem usar. Outra coisa é permitir que laboratórios em todo o mundo façam essas coisas de última geração."

Os colaboradores do Kitware no projeto foram Chris Harris, Brainna Major, Patrick Avery, Utkarsh Ayachit, Berk Geveci, Alessandro Genova e Hanwell. Kotov também é Professor de Ciências Químicas e Engenharia da Irving Langmuir Distinguished University, Joseph B. e Florence V. Cejka Professor de Engenharia, e professor de engenharia química e ciência e engenharia macromolecular.

"Estou animado com todas as novas descobertas científicas e visualizações 3D que sairão da comunidade de ciência de materiais e microscopia com nossa nova estrutura de tomografia em tempo real", disse Schwartz. + Explorar mais

O software de código aberto desbloqueia a visualização 3D de nanomateriais