Da esquerda para a direita:uma imagem de microscopia eletrônica de transmissão com filtro de energia de uma amostra com características em ambos os lados, incluindo um nano-pit gravado através de um nitreto de silício amorfo (SiNx ) membrana; a vista superior da reconstrução 3D que mostra artefatos de gravação, como a borda, as pétalas e uma bolha de detritos; a vista inferior mostra o alargamento da abertura do nano-pit em direção à superfície inferior. Crédito:Física das Comunicações (2023). DOI:10.1038/s42005-023-01431-6 Físicos da Universidade Nacional de Cingapura (NUS) desenvolveram uma técnica de imagem computacional para extrair informações tridimensionais (3D) de uma única micrografia eletrônica bidimensional (2D). Este método pode ser facilmente implementado na maioria dos microscópios eletrônicos de transmissão (TEMs), tornando-o uma ferramenta viável para imagens rápidas de grandes áreas em resolução 3D em escala nanométrica (aproximadamente 10 nm).
Compreender as relações estrutura-função é crucial para a pesquisa em nanotecnologia, incluindo a fabricação de nanoestruturas 3D complexas, a observação de reações em escala nanométrica e o exame de nanoestruturas 3D automontadas na natureza. No entanto, a maioria dos insights estruturais estão atualmente limitados a 2D. Isso ocorre porque ferramentas de imagem 3D rápidas e facilmente acessíveis em escala nanométrica estão ausentes e requerem instrumentação especializada ou grandes instalações como síncrotrons.
Uma equipe de pesquisa da NUS abordou esse desafio desenvolvendo um esquema computacional que utiliza a física da interação elétron-matéria e materiais anteriores conhecidos para determinar a profundidade e a espessura da região local do espécime. Semelhante à forma como um livro pop-up transforma páginas planas em cenas tridimensionais, este método usa valores locais de profundidade e espessura para criar uma reconstrução 3D da amostra que pode fornecer insights estruturais sem precedentes. As descobertas foram publicadas na revista Communications Physics. .
Liderada pelo Professor Assistente N. Duane LOH dos Departamentos de Física e Ciências Biológicas da NUS, a equipe de pesquisa descobriu que as manchas em uma micrografia TEM contêm informações sobre a profundidade da amostra. Eles explicaram a matemática por trás do motivo pelo qual os valores de desfocagem local de uma micrografia TEM apontam para o centro de massa da amostra.
A equação derivada indica que uma única micrografia 2D tem uma capacidade limitada de transmitir informações 3D. Portanto, se a amostra for mais espessa, torna-se mais difícil determinar com precisão a sua profundidade.
Os autores aprimoraram seu método para mostrar que esta técnica de metrologia pop-out pode ser aplicada simultaneamente em múltiplas camadas de amostras com alguns antecedentes adicionais. Esse avanço abre a porta para imagens 3D rápidas de amostras complexas e de múltiplas camadas.
Esta pesquisa dá continuidade à integração contínua do aprendizado de máquina com a microscopia eletrônica da equipe para criar lentes computacionais para gerar imagens de dinâmicas invisíveis que ocorrem em nível nanoescala.
Deepan Balakrishnan, o primeiro autor, disse:"Nosso trabalho mostra a estrutura teórica para imagens 3D de disparo único com TEMs. Estamos desenvolvendo um método generalizado usando modelos de aprendizado de máquina baseados em física que aprendem o material anterior e fornecem relevo 3D para qualquer Projeção 2D."
A equipe também prevê generalizar ainda mais a formulação da metrologia pop-out além dos TEMs para qualquer sistema de imagem coerente para amostras opticamente espessas (ou seja, raios X, elétrons, fótons de luz visível, etc.).
O professor Loh acrescentou:"Tal como a visão humana, inferir informações 3D a partir de uma imagem 2D requer contexto. O pop-out é semelhante, mas o contexto vem do material em que nos concentramos e da nossa compreensão de como os fótons e os elétrons interagem com eles."
