Toppmoderna atomkraftmikroskop (AFM) är utformade för att fånga bilder av strukturer så små som en bråkdel av en nanometer-en miljon gånger mindre än bredden på ett människohår. Under de senaste åren har AFM har producerat skrivbordsvärda närbilder av atomstora strukturer, från enstaka DNA -strängar till individuella vätebindningar mellan molekyler.

Men att skanna dessa bilder är en noggrann, tidskrävande process. AFM har därför mest använts för att avbilda statiska prover, eftersom de är för långsamma för att fånga aktiva, förändrade miljöer.

Nu har ingenjörer på MIT konstruerat ett atomkraftmikroskop som skannar bilder 2, 000 gånger snabbare än befintliga kommersiella modeller. Med detta nya höghastighetsinstrument, teamet tog fram bilder av kemiska processer som äger rum på nanoskala, med en hastighet som är nära realtidsvideo.

I en demonstration av instrumentets kapacitet, forskarna skannade ett 70 x 70 mikron prov av kalcit när det först nedsänktes i avjoniserat vatten och senare exponerades för svavelsyra. Teamet observerade syran som tär på kalciten, utvidgning av befintliga gropar i nanometerstorlek i materialet som snabbt gick samman och ledde till ett avlägsnande av kalcit lager för lager längs materialets kristallmönster, under flera sekunder.

Kamal Youcef-Toumi, professor i maskinteknik vid MIT, säger att instrumentets känslighet och hastighet kommer att göra det möjligt för forskare att se processer i atomstorlek som "högupplösta" filmer.

"Folk kan se, till exempel, kondensation, kärnbildning, upplösning, eller deponering av material, och hur dessa händer i realtid-saker som människor aldrig har sett förut, "Youcef-Toumi säger." Det är fantastiskt att se dessa detaljer komma fram. Och det kommer att ge stora möjligheter att utforska hela denna värld som är på nanoskala. "

Gruppens design och bilder, som är baserade på doktorandarbetet av Iman Soltani Bozchalooi, nu postdoc vid institutionen för maskinteknik, publiceras i tidskriften Ultramicroscopy.

Den stora bilden

Atomkraftsmikroskop skannar vanligtvis prover med en ultrafin sond, eller nål, som skummar längs ytan av ett prov, spårar sin topografi, på samma sätt som en blind person läser punktskrift. Prover sitter på en rörlig plattform, eller skanner, som flyttar provet i sidled och vertikalt under sonden. Eftersom AFM skannar otroligt små strukturer, instrumenten måste arbeta långsamt, rad för rad, för att undvika plötsliga rörelser som kan förändra provet eller göra bilden suddig. Sådana konventionella mikroskop skannar vanligtvis cirka en till två rader per sekund.

"Om provet är statiskt, det är ok att ta åtta till tio minuter att få en bild, "Youcef-Toumi säger." Men om det är något som förändras, tänk då om du börjar skanna uppifrån mycket långsamt. När du kommer till botten, provet har ändrats, och så är informationen i bilden inte korrekt, eftersom det har sträckts över tid. "

För att påskynda skanningen, forskare har försökt bygga mindre, smidigare plattformar som skannar prover snabbare, om än över ett mindre område. Bozchalooi säger att sådana skannrar, medan den är snabb, tillåt inte forskare att zooma ut för att se en bredare vy eller studera större funktioner.

"Det är som om du landade någonstans i USA och inte har en aning om var du landar, och får veta var du än landar, du får bara titta några kvarter runt och upp till en begränsad höjd, "Säger Bozchalooi." Det finns inget sätt att få en större bild. "

Skanna synkroniserat

Bozchalooi kom med en design för att möjliggöra höghastighetsskanning över både stora och små områden. De viktigaste innovationerna fokuserar på en multiaktuerad skanner och dess kontroll:En provplattform innehåller en mindre, snabbare skanner samt en större, långsammare skanner för alla riktningar, som arbetar tillsammans som ett system för att skanna ett brett 3D-område med hög hastighet.

Andra försök till multiaktuerade skannrar har stymts, mestadels på grund av interaktionerna mellan skannrar:En skanners rörelse kan påverka precisionen och rörelsen hos den andra. Forskare har också funnit att det är svårt att styra varje skanner separat och få dem att arbeta med alla andra komponenter i ett mikroskop. För att skanna varje nytt prov, Bozchalooi säger att en forskare skulle behöva göra flera inställningar och justeringar av flera komponenter i instrumentet.

För att förenkla användningen av det multiaktuerade instrumentet, Bozchalooi utvecklade kontrollalgoritmer som tar hänsyn till effekten av en skanner på den andra.

"Vår handkontroll kan flytta den lilla skannern på ett sätt som inte upphetsar den stora skannern, eftersom vi vet vilken rörelse som utlöser denna skanner, och vice versa, "Säger Bozchalooi." Till slut, de arbetar synkront, så från forskarens perspektiv, den här skannern ser ut som en singel, hög hastighet, stor avståndsskanner som inte tillför någon komplexitet till instrumentets funktion. "

Efter optimering av andra komponenter i mikroskopet, som optiken, instrumentation, och datainsamlingssystem, laget fann att instrumentet kunde skanna ett prov av kalcit framåt och bakåt, utan skador på sonden eller provet. Mikroskopet skannar ett prov snabbare än 2, 000 hertz, eller 4, 000 rader per sekund — 2, 000 gånger snabbare än befintliga kommersiella AFM:er. Detta innebär cirka åtta till tio bilder per sekund. Bozchalooi säger att instrumentet inte har någon gräns för bildavstånd och för en maximal sondhastighet, kan skanna över hundratals mikron, samt bildfunktioner som är flera mikron höga.

"Vi vill gå till riktig video, som är minst 30 bilder per sekund, "Youcef-Toumi säger." Förhoppningsvis kan vi arbeta med att förbättra instrumentet och kontrollerna så att vi kan göra bildhastighetsavbildning samtidigt som vi behåller sitt stora utbud och håller det användarvänligt. Det skulle vara något fantastiskt att se. "