Forskare vid National Institute of Standards and Technology (NIST) och deras medarbetare har utvecklat ett sätt att eftermontera transmissionselektronmikroskopet-en mångårig vetenskaplig arbetshäst för att göra skarpa mikroskopiska bilder-så att den också kan skapa högkvalitativa filmer av super -snabba processer i atom- och molekylskala. Kompatibel med gamla och nya elektronmikroskop, eftermonteringen lovar att möjliggöra ny insikt i allt från mikroskopiska maskiner till nästa generations datorchips och biologisk vävnad genom att göra denna filmskapande mer tillgänglig för laboratorier överallt.

"Vi vill kunna titta på saker inom materialvetenskap som händer väldigt snabbt, "sa NIST-forskaren June Lau. Hon rapporterar den första proof-of-concept-funktionen av denna eftermonterade design med sina kollegor i tidningen Granskning av vetenskapliga instrument . Teamet utformade eftermonteringen för att vara ett kostnadseffektivt tillägg till befintliga instrument. "Det förväntas vara en bråkdel av kostnaden för ett nytt elektronmikroskop, " Hon sa.

En nästan 100-årig uppfinning, elektronmikroskopet förblir ett viktigt verktyg i många vetenskapliga laboratorier. En populär version är känd som transmissionselektronmikroskop (TEM), som avfyrar elektroner genom ett målprov för att producera en bild. Moderna versioner av mikroskopet kan förstora objekt med så mycket som 50 miljoner gånger. Elektronmikroskop har hjälpt till att bestämma strukturen av virus, testa driften av datorkretsar, och avslöjar effektiviteten av nya läkemedel.

"Elektronmikroskop kan titta på mycket små saker i atomskala, "Sa Lau." De är fantastiska. Men historiskt sett de tittar på saker som fixas i tid. De är inte bra på att se rörliga mål, " Hon sa.

Under de senaste 15 åren har laserassisterade elektronmikroskop gjorde video möjlig, men sådana system har varit komplexa och dyra. Även om dessa inställningar kan fånga händelser som varar från nanosekunder (miljardelsekunder) till femtosekunder (kvadriljondelar av en sekund), ett laboratorium måste ofta köpa ett nyare mikroskop för att rymma denna förmåga samt en specialiserad laser, med en total investering som kan springa in i miljoner dollar. Ett laboratorium behöver också egen laser-fysik-expertis för att hjälpa till att sätta upp och driva ett sådant system.

"Uppriktigt sagt, inte alla har den kapaciteten, "Sa Lau.

I kontrast, eftermonteringen gör det möjligt för TEM i alla åldrar att göra filmer av hög kvalitet på skalan av picosekunder (biljondelar av en sekund) genom att använda en relativt enkel "stråhackare". I princip, balkhackaren kan användas i alla tillverkares TEM. För att installera det, NIST -forskare öppnar mikroskopkolonnen direkt under elektronkällan, sätt i strålhackaren och stäng mikroskopet igen. Lau och hennes kollegor har framgångsrikt eftermonterat tre TEM med olika funktioner och vintage.

Som ett stroboskop, denna stråhackare släpper ut exakt tidsinställda pulser av elektroner som kan fånga ramar av viktiga upprepande eller cykliska processer.

"Tänk dig ett pariserhjul, som rör sig på ett cykliskt och repeterbart sätt, "Sa Lau." Om vi ​​spelar in den med en hålkamera, det kommer att se suddigt ut. Men vi vill se enskilda bilar. Jag kan sätta en slutare framför hålkamera så att slutartiden matchar hjulets rörelse. Vi kan låta luckan öppna när en utsedd bil går till toppen. På så sätt kan jag göra en stapel bilder som visar varje bil högst upp på pariserhjulet, " Hon sa.

Som ljusluckan, stråghackaren avbryter en kontinuerlig elektronstråle. Men till skillnad från slutaren, som har en bländare som öppnas och stängs, denna strålöppning förblir öppen hela tiden, eliminera behovet av en komplex mekanisk del.

Istället, strålhackaren genererar en radiofrekvent (RF) elektromagnetisk våg i elektronstrålens riktning. Vågen får resande elektroner att bete sig "som korkar som bobbar upp och ner på ytan av en vattenvåg, "Sa Lau.

Rider denna våg, elektronerna följer en böljande väg när de närmar sig bländaren. De flesta elektroner är blockerade förutom de som är helt i linje med bländaren. RF -vågens frekvens kan ställas in, så att elektroner träffar provet var som helst från 40 miljoner till 12 miljarder gånger per sekund. Som ett resultat, forskare kan fånga viktiga processer i urvalet med tidsintervaller från ungefär en nanosekund till 10 pikosekunder.

På det här sättet, det NIST-eftermonterade mikroskopet kan fånga detaljer i atomskala om fram och tillbaka rörelser i små maskiner som mikroelektromekaniska system (MEMS) och nanoelektromekaniska system (NEMS). Den kan eventuellt studera de regelbundet upprepade signalerna i antenner som används för höghastighetskommunikation och undersöka rörelser av elektriska strömmar i nästa generations datorprocessorer.

I en demo, forskarna ville bevisa att ett eftermonterat mikroskop fungerade som det gjorde före eftermonteringen. De avbildade guldnanopartiklar i både det traditionella "kontinuerliga" läget och det pulserade strålläget. Bilderna i pulserande läge hade jämförbar klarhet och upplösning med stillbilderna.

"Vi designade det så att det borde vara detsamma, "Sa Lau.

Strålhackaren kan också göra dubbel plikt, pumpa in RF -energi i materialprovet och sedan ta bilder av resultaten. Forskarna demonstrerade denna förmåga genom att injicera mikrovågor (en form av radiovåg) i en metallisk, kamformad MEMS-enhet. Mikrovågorna skapar elektriska fält inom MEMS -enheten och får elektronernas inkommande pulser att avböja. Dessa elektronböjningar gör det möjligt för forskare att bygga filmer av mikrovågorna som sprids genom MEMS -kammen.

Lau och hennes kollegor hoppas att deras uppfinning snart kan göra nya vetenskapliga upptäckter. Till exempel, det kan undersöka beteendet hos snabbt föränderliga magnetfält i molekylskala minnesenheter som lovar att lagra mer information än tidigare.

Forskarna tillbringade sex år på att uppfinna och utveckla sin stråhackare och har fått flera patent och en FoU 100 -utmärkelse för sitt arbete. Medförfattare i arbetet inkluderade Brookhaven National Laboratory i Upton, New York, och Euclid Techlabs i Bolingbrook, Illinois.

En av de saker som gör Lau mest stolt är att deras design kan blåsa nytt liv i alla TEM, inklusive den 25-åriga enheten som utförde den senaste demonstrationen. NIST-designen ger laboratorier överallt möjligheten att använda sina mikroskop för att fånga viktiga snabba processer i morgondagens material.

"Demokratisering av vetenskap var hela motivationen, "Sa Lau.