Fysiker från National University of Singapore (NUS) har utvecklat en beräkningsteknik för att extrahera tredimensionell (3D) information från en enda tvådimensionell (2D) elektronmikrograf. Denna metod kan enkelt implementeras i de flesta transmissionselektronmikroskop (TEM), vilket gör den till ett livskraftigt verktyg för att snabbt avbilda stora områden med en 3D-upplösning i nanoskala (ungefär 10 nm).
Att förstå relationer mellan struktur och funktion är avgörande för forskning inom nanoteknologi, inklusive tillverkning av komplexa 3D-nanostrukturer, observation av reaktioner i nanometerskala och undersökning av självmonterade 3D-nanostrukturer i naturen. Men de flesta strukturella insikter är för närvarande begränsade till 2D. Detta beror på att snabba, lättillgängliga 3D-bildverktyg i nanoskala saknas och kräver specialiserad instrumentering eller stora anläggningar som synkrotroner.
Ett forskarlag vid NUS tog sig an denna utmaning genom att ta fram ett beräkningsschema som använder fysiken för elektron-materia-interaktion och känt material innan för att bestämma djupet och tjockleken på provets lokala region. I likhet med hur en popup-bok förvandlar platta sidor till tredimensionella scener, använder den här metoden lokala djup- och tjockleksvärden för att skapa en 3D-rekonstruktion av provet som kan ge oöverträffade strukturella insikter. Resultaten publiceras i tidskriften Communications Physics .
Under ledning av biträdande professor N. Duane LOH från institutionerna för fysik och biologiska vetenskaper vid NUS fann forskargruppen att prickarna i en TEM-mikrograf innehåller information om provets djup. De förklarade matematiken bakom varför lokala oskärpa värden från en TEM-mikrograf pekar mot provets massacentrum.
Den härledda ekvationen indikerar att en enda 2D-mikrograf har en begränsad kapacitet att förmedla 3D-information. Därför, om provet är tjockare, blir det svårare att exakt bestämma dess djup.
Författarna förbättrade sin metod för att visa att den här pop-out-metrologiska tekniken kan appliceras samtidigt på flera provlager med några ytterligare tidigare. Detta framsteg öppnar dörren till snabb 3D-avbildning av komplexa prover i flera lager.
Denna forskning fortsätter teamets pågående integration av maskininlärning med elektronmikroskopi för att skapa beräkningslinser för att avbilda osynlig dynamik som sker på nanoskalanivå.
Dr. Deepan Balakrishnan, den första författaren, sa:"Vårt arbete visar det teoretiska ramverket för 3D-avbildning i en enda bild med TEM. Vi utvecklar en generaliserad metod som använder fysikbaserade maskininlärningsmodeller som lär sig material före och ger 3D-lättnad för alla 2D-projektion."
Teamet föreställer sig också att ytterligare generalisera formuleringen av pop-out-metrologi bortom TEM:er till alla koherenta bildsystem för optiskt tjocka prover (d.v.s. röntgenstrålar, elektroner, fotoner av synligt ljus, etc.).
Prof Loh tillade, "Precis som mänsklig syn kräver kontext att sluta 3D-information från en 2D-bild. Pop-out är liknande, men sammanhanget kommer från materialet vi fokuserar på och vår förståelse av hur fotoner och elektroner interagerar med dem."
Mer information: Deepan Balakrishnan et al, Single-shot, coherent, pop-out 3D-metrology, Communications Physics (2023). DOI:10.1038/s42005-023-01431-6
Journalinformation: Kommunikationsfysik
Tillhandahålls av National University of Singapore
