Att förstå materialets mikroskopiska struktur är nyckeln till att förstå hur det fungerar och dess funktionella egenskaper. Framsteg inom områden som materialvetenskap har alltmer drivit förmågan att bestämma dessa funktioner till ännu högre upplösningar. En teknik för avbildning vid nanoskalaupplösning, transmissionselektronmikroskopi (TEM), är ett exempel på lovande teknik inom detta område. Forskare hittade nyligen ett sätt att utnyttja kraften hos TEM för att mäta strukturen hos ett material med högsta möjliga upplösning-bestämma 3-D-positionen för varje enskild atom.

Presenterar sitt arbete på OSA Imaging and Applied Optics Congress 25-28 juni, i Orlando, Florida, USA, ett team av forskare har demonstrerat en teknik med hjälp av TEM-tomografi för att bestämma 3-D-positionerna för starkt spridda atomer. Genom simulering, gruppen visade att det är möjligt att rekonstruera atompotentialerna med atomupplösning med endast bildintensitetsmätningar, och att det är möjligt att göra det på molekyler som är mycket känsliga för elektronstrålar.

"Transmissionselektronmikroskopi används flitigt i både materialvetenskap och biologi, "sade Colin Ophus, Nationellt centrum för elektronmikroskopi, Lawrence Berkeley National Lab, Berkeley, Kalifornien, och medlem i forskargruppen. "Eftersom vi helt löser den olinjära utbredningen av elektronstrålen, vår tomografiska rekonstruktionsmetod kommer att möjliggöra mer kvantitativ rekonstruktion av svagt spridda prover, vid högre eller till och med atomupplösning. "

På samma sätt som datortomografi (CT) -skanningar som utförs för medicinsk avbildning på sjukhus byggs med en serie tvådimensionella tvärsnittsbilder i olika steg, elektron tomografi konstruerar en tredimensionell volym genom att rotera prover stegvis, samla tvådimensionella bilder. Medan de flesta CT-avbildningar på sjukhus görs med röntgenstrålar för att bestämma funktioner hos större saker som ben, elektronstrålarna som används i TEM gör det möjligt för forskare att titta med betydligt högre upplösning, ner till atomskala.

"Dock, på atomskala kan vi inte försumma de mycket komplexa kvantmekaniska effekterna av provet på elektronstrålen, "Sade Ophus." Detta betyder i vårt arbete, vi måste använda en mycket mer sofistikerad algoritm för att återställa atomstrukturen än de som används vid en MR- eller CT -skanning. "

TEM -inställningen som gruppen använde mätte energiintensiteten som träffar mikroskopets sensor, som är proportionell mot antalet elektroner som träffar sensorn, ett tal som beror på hur elektronstrålen är konfigurerad för varje experiment. Med hjälp av intensitetsdata, den nya algoritmen som designades av gruppen sydde de tvådimensionella projicerade bilderna till en 3D-volym.

Att hoppa till tre dimensioner med stora synfält, dock, kan beskatta datorer exponentiellt mer än att hantera enkla 2-D-bilder. För att komma runt detta, de modifierade sin algoritm för att användas på grafiska processorenheter (GPU), som kan utföra många gånger mer matematiska operationer parallellt än typiska datorbehandlingsenheter (CPU:er).

"Vi kan få resultat på en rimlig tid för realistiska provdimensioner, "sa David Ren, en medlem i teamet.

Med i allmänhet svagare bindningar mellan deras atomer, biomolekyler kan vara notoriskt svåra att studera med hjälp av TEM eftersom elektronstrålarna används för att studera en metalllegering, till exempel, skulle vanligtvis riva isär en biomolekyl. Sänka elektrondosen i ett prov, fastän, kan skapa bilder som är så bullriga, andra algoritmer som för närvarande används kan inte rekonstruera en 3D-bild. Tack vare en mer exakt fysisk modell, lagets nya algoritm har förmågan.

Nu när de har utvecklat rekonstruktionsalgoritmen fullt ut, laget sa att de hoppas kunna tillämpa det de har observerat från simuleringar till experimentella data. De planerar att göra alla deras rekonstruktionskoder tillgängliga som öppen källkod för det bredare forskarsamhället.