Forskare använder elektronmikroskopi för att producera högupplösta bilder i atomär skala av allt från sammansatta nanomaterial till enskilda proteiner. Tekniken ger ovärderlig information om texturen, kemi, och strukturen hos dessa material. Forskning under de senaste decennierna har fokuserat på att uppnå högre upplösningar:att kunna avbilda material på gradvis finare nivåer med mer känslighet och kontrast. Men hur ser framtiden ut för elektronmikroskopi?

Andrew Minor är anläggningschef för National Center for Electron Microscopy i Berkeley Labs Molecular Foundry. Minor är också medlem i Materials Sciences Division, och professor i materialvetenskap och ingenjörskonst vid UC Berkeley och har varit medförfattare till över 190 publikationer och mottagit många utmärkelser och utmärkelser för sitt arbete. Minors forskargrupp fokuserar på nya metoder med hjälp av elektronmikroskopi för att studera struktur och fenomen i nanoskala i material.

F. Handlar framtiden för elektronmikroskopi om att uppnå ännu högre upplösning eller att förbättra en annan aspekt av tekniken?

A. Historiskt sett, upplösning var det som folk var mest intresserade av att trycka på, och det har hänt under de senaste 30 till 40 åren med stor effekt. Elektronmikroskop kan nu nå en halv ångströms upplösning. Det är halva bredden av en väteatom, och en väteatom är den minsta atom som finns. Det finns inte mycket att titta på utöver det. Så faktisk rumslig upplösning är inte en stor drivkraft längre för de flesta applikationer.

Dock, den stora varningen är att denna fantastiska upplösning egentligen bara är tillgänglig nära rumstemperatur. Mycket av det vi är intresserade av att studera är inte i rumstemperatur, och det finns stora problem med att nå den typen av upplösningar om du går till mycket låga eller mycket höga temperaturer. Min personliga känsla är att de mest effektfulla tekniska förbättringarna kommer från att utöka upplösningen som vi känner och älskar vid rumstemperatur till andra miljöer.

F. Vad skulle högupplöst elektronmikroskopi vid lägre temperaturer möjliggöra?

S. En sak som det skulle möjliggöra är att få bättre bilder av material som är känsliga för elektronstrålen. Det finns en inneboende kompromiss mellan det faktum att elektroner interagerar väldigt starkt med materia, men det betyder också att de mycket lätt skadar saken. En metall eller en keramik tål många elektroner, vad vi kallar en hög dos elektroner i ett experiment. Du kan få väldigt skarpa bilder eftersom du kan skicka igenom många elektroner och verkligen öka ditt signal-brusförhållande. I det biologiska samhället, eller till och med med ett mjukt material som en polymer, elektronerna själva kan och gör mycket snabbt skada på strukturerna. Detta begränsar din förmåga att avbilda materialet i ett orördt eller representativt tillstånd.

Ett sätt som fältet har tagit itu med detta är genom att utföra lågtemperaturmikroskopi, så kallad cryoEM, där du begränsar skadorna på materialet något eftersom saker är mer frusna på plats och skadorna inte utvecklas lika snabbt. Men när du går till låga temperaturer, eftersom hela resten av mikroskopkolonnen är varm jämfört med provets låga temperatur, ditt prov rör sig och ändrar sin position. Och när du har hög förstoring blir bilderna suddiga. Så det är därför jag personligen tror, och här på Berkeley Lab tror vi, lösningen på detta inneboende problem är att göra hela mikroskopet kallt. Ett stort nytt koncept som vi leder här är att utveckla ett mycket lågtemperaturmikroskop som kan gå till en grad Kelvin. Många intressanta material finns bara vid de låga temperaturerna.

F. Hur långt är du med att utveckla ett kallmikroskop och vad skulle det kunna tillåta forskare att göra?

S. Vi startade designen med stöd från Laboratory Directed Research and Development Program och har stöd från Department of Energy genom Molecular Foundry för att bygga en prototyp av supraledande magnettestsystem för att bekräfta vissa aspekter av vår design. Vi höll också ett samhällsmöte i januari för att titta på de olika vetenskapsdrivarna och fundera på vad som skulle kunna göras om man hade denna vackra upplösning vid låga temperaturer för nya material. Hela aspekter av kondenserad materiens fysik och fasta tillståndets fysik existerar egentligen bara i låga temperaturer. Den mest uppenbara är supraledning:de flesta vet att supraledare endast existerar vid låga temperaturer. Du värmer upp dem för mycket och den egenskapen försvinner. Många egenskaper är sådana i vad som kallas starkt korrelerade system, eller kvantmaterial för kort. Vi har inte kunnat undersöka med atomär upplösning många av dessa intressanta aspekter av kvantmaterial på grund av de inneboende problemen med drift och stabilitet i mikroskop som finns tillgängliga nu.

En annan möjlighet kan vara att designa nya material eller förbättra befintliga. Inom materialvetenskap är vi intresserade av sambandet mellan struktur och egenskaper. Att kunna undersöka det vid den grundläggande upplösningen av materialet, som atomer, är en kritisk del av det som går till utveckling av nya material.

F. Vilka andra möjligheter kan finnas?

A. Exotiska material på avlägsna planeter finns vid kalla temperaturer. Vad kan vi lära oss om att studera material som bara bildas vid låga temperaturer? Lågtemperaturmikroskopet skulle också ge en högvakuummiljö, vilket skulle vara idealiskt för att noggrant titta på ytorna på material som katalytiska partiklar. Other things that would be of interest include the basic science of looking at structures when they are slow and frozen. A lot of processes are very fast at the atomic scale, like ions going back and forth in a battery. It's so fast that usually we can't capture it. Going cold would be one way to try to slow down processes to examine materials dynamically that are too fast to capture at room temperature.

I'm a materials scientist, so I gave you a lot of materials applications. But more broadly, the field of electron microscopy is impacting other fields, such as the biological community, the earth sciences community, microelectronics, och upptäckt av droger. Going to low temperatures is of interest in these fields because you'll get a better picture and better measurements and enable atomic resolution imaging in an environment that is important for many advanced technologies, like quantum computing.