Forskare från Ernst Ruska-Center i Forschungszentrum Jülich använde ett transmissionselektronmikroskop för att spela in nästan 3500 bilder på 3,5 sekunder för rekonstruktion av ett 3D-elektron-tomogram. Tidigare, 10 till 60 minuter och en tio gånger större elektrondos krävdes för att spela in sådana bildsekvenser. Den nya förmågan är särskilt lämplig för att undersöka biologiska celler, bakterier och virus, vars struktur kan skadas av elektronstrålen. Dessutom, det möjliggör dynamiska processer, såsom kemiska reaktioner och elektroniska kopplingsfenomen, att visualiseras i realtid i tre dimensioner med sub-nanometer precision. Resultaten har publicerats i tidskriften Vetenskapliga rapporter .

Elektron tomografi är relaterad till datortomografi, som har blivit oumbärlig inom forskning och kliniska studier. Elektron tomogram kan erhållas från mycket mindre volymer än med röntgenbaserade tekniker. Den tredimensionella rumsliga upplösningen för elektron tomografi är den högsta möjliga med dagens teknik. Metoden är unikt lämpad för att studera virus och bakterier för att underlätta utveckling av läkemedel, eller för att avbilda strukturerna för nya nanomaterial för applikationer som sträcker sig från nanoelektronik till energiteknik.

"Möjligheten att påskynda bildförvärv och minska strålningsdosen öppnar nya horisonter, särskilt inom biovetenskap och mjukämnesforskning, med elektrontomografi, "säger prof. Rafal Dunin-Borkowski. I denna teknik, ett transmissionselektronmikroskop används för att spela in bilder av en submikrometer stor region från olika vinklar i snabb följd.

"De enskilda bilderna visar inte tvärsnitt av provet. I stället informationen från olika djup inuti den överlagras - liknande en röntgenbild - och projiceras på ett plan, "förklarar direktören för Ernst Ruska-centret, som också är direktör för Institute for Microstructure Research (PGI-5) i Jülichs Peter Grünberg Institute. Av denna anledning, algoritmer är nödvändiga för en dator för att beräkna en tredimensionell rekonstruktion av objektet från bildserien.

Upplösningen som kan uppnås begränsas av elektronstrålens destruktiva effekt på provet. Mjuk, biologiska prover, särskilt, tolererar endast ett begränsat antal bilder. Deras känsliga strukturer, till exempel proteiner, förstörs snabbt av elektroner med hög energi. För att minska elektrondosen, forskarna i Ernst Ruska-Center utrustade sitt elektronmikroskop med en ny detektor. Denna enda elektrondetekteringskamera registrerar inkommande elektroner direkt, utan att behöva konvertera dem till fotoner, dvs ljus - det vanliga i dag.

"Den senaste generationen av detektorchips har mycket hög känslighet, vilket betyder att för samma bildkvalitet räcker det med en elektronstråldos som är två till tre gånger lägre, "förklarar Dr. Vadim Migunov, från Ernst Ruska-Center och Jülichs Peter Grünberg Institute. Hans kollegor i Jülichs Central Institute of Engineering, Electronics och Analytics (ZEA-2) hjälpte till att utveckla elektroniken i chipet, vilket säkerställer snabb dataläsningshastighet och därmed extremt snabba inspelningshastigheter.

Första tester med nanorör och katalysatorer

För att testa den förbättrade tekniken, Vadim Migunov, tillsammans med sina kollegor från Ernst Ruska-centret, undersökte ett oorganiskt lantanid -nanorör med den nya sensorn. Sådana strukturer är för närvarande av intresse eftersom de kan vara lämpliga för elproduktion från spillvärme eller som nya ljuskällor och katalysatorer. Med en inspelningshastighet på ungefär 1000 bilder per sekund, elektrontomografi kan nu användas för nanoskalaobservationer av snabba processer såsom kemiska reaktioner som involverar katalysatorer, kristalltillväxtprocesser eller fasövergångar, "förklarar Vadim Migunov.

Studier med bättre tids- och rumslig upplösning kan hjälpa till att avslöja varför nanokatalysatorns funktionalitet går förlorad över tid. Katalysator -nanopartiklar kan användas för att producera väte och för att separera skadliga växthusgaser. Deras effektivitet beror främst på hur atomer är anordnade på de ytor på vilka de kemiska reaktionerna äger rum.

Den nya tekniken har ytterligare fördelar. Endast några sekunder av datortid är nödvändiga för att spela in och rekonstruera den tredimensionella strukturen för ett prov på en dator. Den tid som krävs är därför mycket kort och forskare kan observera experiment inte bara i 3D utan också nästan "live".