Sol Gruner, la gauche, professeur de physique, et David Muller, professeur de physique appliquée et d'ingénierie. Crédit :Chris Kitchen/University Photography
Le microscope électronique, un outil puissant pour la science, est devenu encore plus puissant, avec une amélioration développée par les physiciens de Cornell. Leur détecteur à matrice de pixels pour microscope électronique (EMPAD) ne donne pas seulement une image, mais une mine d'informations sur les électrons qui créent l'image et, à partir de ce, plus sur la structure de l'échantillon.
"On peut extraire des souches locales, s'incline, rotations, polarité et même champs électriques et magnétiques, " a expliqué David Muller, professeur de physique appliquée et ingénieur, qui a développé le nouvel appareil avec Sol Gruner, professeur de physique, et les membres de leurs groupes de recherche.
Le Center for Technology Licensing (CTL) de Cornell a concédé sous licence l'invention à FEI, un fabricant leader de microscopes électroniques (une division de Thermo Fisher Scientific, qui fournit des produits et services pour les sciences de la vie à travers plusieurs marques). FEI prévoit d'achever la commercialisation de la conception et d'offrir le détecteur pour les microscopes électroniques nouveaux et modernisés cette année.
« C'est ahurissant de contempler ce que les chercheurs du monde entier découvriront grâce à ce match de l'expertise approfondie de Cornell en science des détecteurs avec le leader du marché Thermo Fisher Scientific, " a déclaré Patrick Govang, responsable des licences technologiques chez CTL.
Les scientifiques ont décrit leurs travaux dans le numéro de février 2016 de la revue Microscopie et microanalyse .
Dans le microscope électronique à transmission à balayage (STEM), un faisceau étroit d'électrons est tiré à travers un échantillon, balayer d'avant en arrière pour produire une image. Un détecteur situé en dessous lit l'intensité variable des électrons qui passent et envoie un signal qui dessine une image sur un écran d'ordinateur.
Un microscope électronique à balayage à transmission, la gauche, tire un faisceau étroit d'électrons à travers un échantillon, balayer d'avant en arrière pour produire une image. Le détecteur de réseau de pixels, droit, lit le point d'atterrissage et à partir de celui-ci l'angle de diffusion de chaque électron, donnant des informations sur la structure atomique de l'échantillon.
L'EMPAD qui remplace le détecteur habituel est constitué d'une matrice 128x128 de pixels sensibles aux électrons, chaque carré de 150 microns (millionièmes de mètre), lié à un circuit intégré qui lit les signaux - un peu comme le réseau de pixels sensibles à la lumière dans le capteur d'un appareil photo numérique, mais pas pour former une image. Son but est de détecter les angles sous lesquels les électrons émergent, car chaque électron frappe un pixel différent. L'EMPAD est une retombée des détecteurs de rayons X que les physiciens ont construits pour les travaux de cristallographie aux rayons X à la Cornell High Energy Synchrotron Source (CHESS), et il peut fonctionner de la même manière pour révéler la structure atomique d'un échantillon.
Combiné avec le faisceau focalisé du microscope électronique, le détecteur permet aux chercheurs d'établir une carte "à quatre dimensions" de la position et de la quantité de mouvement des électrons lorsqu'ils traversent un échantillon pour révéler la structure atomique et les forces à l'intérieur. L'EMPAD est inhabituel par sa vitesse, la sensibilité et la large gamme d'intensités qu'il peut enregistrer - de la détection d'un seul électron à des faisceaux intenses contenant des centaines de milliers, voire un million d'électrons.
"Ce serait comme prendre une photographie d'un coucher de soleil qui montre à la fois les détails de la surface du soleil et les détails des ombres les plus sombres, " expliqua Muller.
L'amélioration est également passionnante pour les scientifiques de la vie car la collecte de tous les électrons diffusés rend l'instrument beaucoup plus sensible, en utilisant une exposition moins intense pour obtenir une image et en limitant les dommages à un spécimen vivant.
"L'EMPAD enregistre une trame d'image en moins d'une milliseconde et peut détecter d'un à un million d'électrons primaires par pixel, par cadre d'image, " expliqua Muller. " C'est 1, 000 fois la plage dynamique, et 100 fois la vitesse des capteurs d'images électroniques conventionnels."
« Maintenant, nous pouvons mieux comprendre les processus à l'intérieur des cellules intactes, " a déclaré Léna Kourkoutis, professeur assistant de physique appliquée et d'ingénierie. La faible dose de rayonnement permet des expositions multiples, pour prendre des "films" accélérés de processus cellulaires ou pour visualiser le même spécimen sous différents angles pour obtenir une image 3D plus claire. Kourkoutis prévoit d'utiliser ces techniques en collaboration avec le nouveau Cornell Center for the Physics of Cancer Metabolism, en regardant comment le cancer progresse d'une cellule à l'autre.
Les chercheurs ont testé leur premier EMPAD en l'installant dans un port de secours dans un microscope FEI à la pointe de la technologie. Le prototype est utilisé de manière intensive pour des expériences au Cornell Center for Materials Research.
