Forskare i Ben McMorrans fysiklaboratorium vid University of Oregon hade ett bra 2018, publicera fyra artiklar om deras ansträngningar att ge nytt liv åt att skanna transmissionselektronmikroskop för medicinsk och materialforskning.

De har skapat en teknik, STEM holografi, som skickar elektroner längs två separata vägar, en går igenom ett prov och en inte. Detta gör att de kan mäta fördröjningen mellan dem för att skapa en högupplöst bild. Det ger förbättrad atomupplösning av ett provs yttre struktur och avslöjar tidigare osynliga gränssnitt mellan ett prov och underliggande material.

Forskarna har testat sin teknik på guldnanopartiklar, kolsubstrat och elektriska fält. Så småningom, det kan justeras för användning på levande biologiska prover, sa McMorran, docent vid Institutionen för fysik.

"Denna teknik gör att vi kan studera material med hög upplösning, mäta dem exakt och förstå dem bättre än vad som var möjligt tidigare, "sa doktoranden Fehmi Yasin." Kan vi föreställa oss biomolekylära material i atomupplösning utan att förstöra dem? Inte än, men vår teknik är ett bra första steg. "

Forskare i Tyskland, Japan och USA teoretiserade för 30 år sedan att ett sådant tillvägagångssätt var möjligt, men tillgänglig teknik tillät dem inte att visa det som en praktisk bildteknik, Sa Yasin. UO -forskare har nu visat - med hjälp av mikroskop vid UO, Lawrence Berkeley National Laboratory och Hitachi Ltd. Research and Development Group i Japan - att STEM -holografi fungerar.

Tekniken bygger på elektronholografi, ytterligare ett nytt framsteg som kräver toppmodern teknik, kostnadskrävande elektronpistoler, specialbyggda bländare och mycket stabila strömförsörjningar för att leverera atomupplösning.

"Med hjälp av flexibel STEM -holografi, en offshoot som vi utvecklat i samarbete med Toshiaki Tanigaki på Hitachi, vi kan nu fånga med mer precision materialens intressanta geometrier, "Sa Yasin, "Tidigare, synfältet för STEM -holografi var begränsat till kanske 30 nanometer. Genom att använda flexibel STEM -holografi utvidgas synfältet. "

Det första transmissionselektronmikroskopet gjordes i Tyskland av Max Knoll, en elingenjör, och Ernst Ruska, en fysiker, 1931. Den första kommersiella versionen kom fram 1939. Ruska vann Nobelpriset i fysik för sina insatser 1986.

Multimiljon-dollarmikroskopen skapar mikroskopier när en elektronstråle passerar genom en tunn skiva av ett prov. Traditionellt vid skanning av transmissionselektronmikroskop, magnetfält används för att fokusera strålen till en atomstorlek i ett prov. Den strålen skannas sedan över ett prov, men ett stort antal elektroner krävs för att se någonting eftersom de flesta av dem går igenom ett prov utan att bli avböjda.

UO -metoden placerar ett diffraktionsgaller ovanför ett prov, skapa ytterligare strålar som träffar provet och ett hologram under det. Det fångar upp signaler från elektroner som inte är spridda och detaljer om hur andra bromsas när de passerar genom ett prov.

Den senaste tidningen med papper bekräftade att STEM -holografi matchar datasimuleringar.

"Vi satte elektronmikroskopet i förhållanden där vi kunde isolera signalen som vi bryr oss om, och vi tittade på flera olika typer av prover, "sa den tidigare UO -doktoranden Tyler Harvey, nu postdoktor vid universitetet i Göttingen. "Vi simulerade också bilder av ett prov och fann att simuleringarna matchade experimentet mycket bra."

I en decembertidning ledd av Harvey i tidningen Fysisk granskning tillämpad , UO -teamet detaljerade tekniken och hur det fungerar teoretiskt.

I ett separat papper i Nano bokstäver , ett team under ledning av Yasin visade att tekniken tillhandahåller bilder med subnanometerupplösning av kolbaserade material. Färg representerar tjocklek, som lägger till en tredje dimension och förbättrar mätningarna.

Bilderna var så tydliga som förväntat med lågt antal elektroner, forskarna noterade.

"Vi tror att STEM -holografi kommer att vara ett bra verktyg för materialvetenskap och biologi, "Harvey sa." Tekniken utmärker sig verkligen vid avbildning av elektriska och magnetiska fält, och det kan göra det samtidigt som man gör det som de flesta material forskare bryr sig mest om:att se var atomerna är. "

Möjligheten att använda tekniken på biologiska prover är långt borta, men att kunna göra det på ett säkert sätt kan ha enorma utbetalningar, Sa Yasin.

"Vi har nu många läkemedel som angriper en cancersammansättning, "Sa Yasin." Men den sammansättningen liknar hela vår kropp, så dessa cancerläkemedel attackerar både sjuka celler och kroppens andra celler samtidigt. Om vi ​​visste positionen för varje atom i cancercellen, vi kan utvecklas mycket bättre, mer effektiva läkemedel, utan de dödliga biverkningarna. "

McMorran skrev först om tanken på att använda ett hologram -tillvägagångssätt i ett januari 2011 -dokument i Science, när han var med National Institute of Standards and Technology i Maryland.

I hans UO -lab, med stöd av National Science Foundation och U.S. Department of Energy, forskare har drivit fyra områden, som alla försöker avbilda delar av material som har varit svåra att upptäcka.

De fyra områdena fokuserar på transparenta material, inklusive biomaterial eller andra organiska molekyler; elektriska fält, såsom laddningen och dess fördelning i enstaka transistorer; magnetiska fält, t.ex. material som nu finns på hårddiskar och potentiellt användbart inom spintronics; och elektroner och qubits som förväntas användas i kvantdatorer.

"Alla fyra av dessa saker kanske inte fungerar, "sa McMorran, som också är medlem i Materials Science Institute och Oregon Center for Optical, Molekylär och kvantvetenskap. "Det kan finnas en bättre teknik som slutar vara bäst för vissa. Vi kan utveckla ett användbart verktyg för att komma till alla fyra möjligheterna eller kanske bara en av dem. Just nu, alla pilar pekar på alla fyra. "