Elektronmikroskopet, ett kraftfullt verktyg för vetenskap, blev bara ännu starkare, med en förbättring utvecklad av Cornell -fysiker. Deras elektronmikroskop pixel array -detektor (EMPAD) ger inte bara en bild, men en mängd information om elektronerna som skapar bilden och, från det, mer om provets struktur.

"Vi kan extrahera lokala stammar, lutar, rotationer, polaritet och till och med elektriska och magnetiska fält, "förklarade David Muller, professor i tillämpad och teknisk fysik, som utvecklade den nya enheten med Sol Gruner, professor i fysik, och medlemmar i deras forskargrupper.

Cornells Center for Technology Licensing (CTL) har licensierat uppfinningen till FEI, en ledande tillverkare av elektronmikroskop (en division av Thermo Fisher Scientific, som levererar produkter och tjänster för biovetenskaperna genom flera märken). FEI räknar med att slutföra kommersialiseringen av designen och erbjuda detektorn för nya och eftermonterade elektronmikroskop i år.

"Det är häpnadsväckande att överväga vad forskare runt om i världen kommer att upptäcka genom denna match av Cornells djupa expertis inom detektorvetenskap med marknadsledaren Thermo Fisher Scientific, "sa Patrick Govang, tekniklicensierare på CTL.

Forskarna beskrev sitt arbete i tidskriften i februari 2016 Mikroskopi och mikroanalys .

I det vanliga svepelektronmikroskopet (STEM), en smal elektronstråle skjuts ner genom ett prov, skannar fram och tillbaka för att skapa en bild. En detektor nedan läser den varierande intensiteten hos elektroner som kommer igenom och skickar en signal som drar en bild på en datorskärm.

EMPAD som ersätter den vanliga detektorn består av en 128x128 uppsättning elektronkänsliga pixlar, varje 150 mikron (miljondelar av en meter) kvadrat, ansluten till en integrerad krets som läser upp signalerna-ungefär som uppsättningen ljuskänsliga pixlar i sensorn i en digitalkamera, men inte för att bilda en bild. Dess syfte är att upptäcka de vinklar vid vilka elektroner kommer fram, eftersom varje elektron träffar en annan pixel. EMPAD är en spinoff av röntgendetektorer som fysikerna har byggt för röntgenkristallografi vid Cornell High Energy Synchrotron Source (CHESS), och det kan fungera på ett liknande sätt för att avslöja atomets struktur i ett prov.

Kombinerat med elektronmikroskopets fokuserade stråle, detektorn tillåter forskare att bygga upp en "fyrdimensionell" karta över både position och momentum för elektronerna när de passerar genom ett prov för att avslöja atomstrukturen och krafterna inuti. EMPAD är ovanlig i sin hastighet, känslighet och brett spektrum av intensiteter den kan registrera - från att detektera en enda elektron till intensiva strålar som innehåller hundratusentals eller till och med en miljon elektroner.

"Det skulle vara som att ta ett fotografi av en solnedgång som visade både detaljer på solens yta och detaljerna i mörkaste skuggor, "Förklarade Muller.

Förbättringen är också spännande för livsvetare eftersom samlingen av alla spridda elektroner gör instrumentet mycket känsligare, använda en mindre intensiv exponering för att få en bild och begränsa skador på ett levande exemplar.

"EMPAD registrerar en bildram på mindre än en millisekund och kan detektera från en till en miljon primära elektroner per pixel, per bildram, "Muller förklarade." Detta är 1, 000 gånger det dynamiska omfånget, och 100 gånger hastigheten för konventionella elektronbildsensorer. "

"Nu kan vi få en bättre titt på processer inuti intakta celler, "sa Lena Kourkoutis, biträdande professor i tillämpad och teknisk fysik. Den låga dosen av strålning tillåter flera exponeringar, att ta time-lapse "filmer" av cellulära processer eller att se samma exemplar från olika vinklar för att få en tydligare 3D-bild. Kourkoutis planerar att använda dessa tekniker i arbete med det nya Cornell Center for the Physics of Cancer Metabolism, tittar på hur cancer utvecklas från cell till cell.

Forskarna testade sin första EMPAD genom att installera den i reservporten i ett toppmodern FEI-mikroskop. Prototypen används intensivt för experiment i Cornell Center for Materials Research.