Au cours des deux dernières décennies, les scientifiques ont découvert que le microscope optique peut être utilisé pour détecter, suivre et imager des objets beaucoup plus petits que leur limite traditionnelle - environ la moitié de la longueur d'onde de la lumière visible, ou quelques centaines de nanomètres.

Cette recherche pionnière, qui a remporté le prix Nobel de chimie 2014, a permis aux chercheurs de suivre les protéines dans les œufs fécondés, visualiser comment les molécules forment des connexions électriques entre les cellules nerveuses du cerveau, et étudier le mouvement à l'échelle nanométrique des moteurs miniatures.

Maintenant, les développements de la recherche au National Institute of Standards and Technology (NIST) permettent aux microscopes de mesurer ces détails à l'échelle nanométrique avec un nouveau niveau de précision.

"Nous avons mis le microscope optique sous un microscope pour atteindre une précision proche de l'échelle atomique, " a déclaré Samuel Stavis du NIST, qui a servi de chef de projet pour ces efforts.

Parce que les microscopes optiques n'ont pas été traditionnellement utilisés pour étudier l'échelle nanométrique, ils ne disposent généralement pas de l'étalonnage (comparaison à une norme pour vérifier qu'un résultat est correct) nécessaire pour obtenir des informations précises à cette échelle. Un microscope peut être précis, indiquant systématiquement la même position pour une seule molécule ou nanoparticule. Encore, à la fois, il peut être très imprécis - l'emplacement de l'objet identifié par le microscope à un milliardième de mètre près peut, En réalité, être à des millionièmes de mètre en raison d'erreurs non comptabilisées. "La précision sans exactitude peut être très trompeuse, " a déclaré Jon Geist, un co-auteur NIST de l'étude.

Pour régler le problème, Le NIST a développé un nouveau processus d'étalonnage qui examine de près et corrige ces erreurs d'imagerie. Le processus utilise des matériaux de référence - des objets aux caractéristiques bien connues et stables - qui ont le potentiel pour une production de masse et une distribution généralisée aux laboratoires individuels.

Ceci est important car les microscopes optiques sont des instruments de laboratoire courants qui peuvent facilement agrandir différents échantillons, allant des spécimens biologiques délicats aux appareils électriques et mécaniques. Également, les microscopes optiques deviennent de plus en plus performants et économiques car ils intègrent des versions scientifiques des lumières et des caméras des smartphones.

L'équipe du NIST s'est appuyée sur des procédés de fabrication à l'échelle nanométrique pour développer le matériau de référence. Les chercheurs ont utilisé des faisceaux d'électrons et un broyage ionique pour former un réseau d'ouvertures de trous d'épingle à travers un mince film de platine sur une lame de verre. Le procédé a permis à l'équipe d'espacer les ouvertures 5, distants de 000 nanomètres, avec une précision d'environ 1 nanomètre. De cette façon, les chercheurs ont construit une mesure de précision dans les positions d'ouverture.

La lumière brillante à travers le réseau d'ouvertures crée un réseau de points pour l'imagerie. Mais parce que tous les objectifs de microscope ont des imperfections, des erreurs se produisent inévitablement lors de l'imagerie qui modifient les positions apparentes des points, faire en sorte que l'espacement entre les ouvertures semble être plus grand ou plus petit que l'espacement réel conçu par l'équipe. La connaissance de l'espacement réel permet la correction des erreurs d'imagerie et l'étalonnage du microscope pour des mesures de position avec une grande précision sur un large champ de vision.

Même une petite erreur peut conduire à un gros problème. Envisager, par exemple, un microscope ayant un grossissement réel de 103 fois le grossissement attendu, tel que spécifié par le fabricant, est 100 fois. L'erreur résultante de 3 pour cent s'additionne sur de grandes distances à travers une image de microscope. En raison des imperfections de la lentille, un problème plus subtil se produit également :le grossissement du microscope change à travers l'image, provoquant une distorsion de l'image. Pour résoudre ce problème, l'équipe du NIST a conçu des matrices d'ouverture et des processus d'étalonnage qui fonctionnent sur de grands champs de vision.

Les matrices d'ouverture, qui permettrait aux chercheurs individuels d'effectuer des étalonnages dans leurs propres laboratoires, pourrait s'améliorer d'un facteur 10, 000 la capacité des microscopes optiques à localiser avec précision la position de molécules individuelles et de nanoparticules.

Stavis et ses collègues, dont le premier auteur Craig Copeland du NIST et le Maryland NanoCenter de l'Université du Maryland, ont rendu compte de leurs conclusions dans un article récemment publié dans Lumière :science et applications .

"Nous avons identifié et résolu un problème sous-estimé, " a déclaré Copeland.

Après avoir calibré leur microscope optique à l'aide des réseaux, l'équipe a inversé le processus, utilisant leur microscope pour identifier les imperfections dans les matrices prototypes du processus de nanofabrication. "Nous avons testé les limites de la nanofabrication pour contrôler l'espacement des ouvertures, " a noté le co-auteur Rob Ilic, directeur de la NanoFab du NIST. La facilité et la vitesse de la microscopie optique pourraient faciliter le contrôle de la qualité des matrices d'ouvertures dans un processus de production.

Finalement, l'équipe a exploité la stabilité inhérente des réseaux d'ouvertures pour évaluer si les nanoparticules fluorescentes, souvent utilisé comme points fixes de référence en microscopie optique, restaient effectivement fixés à un point particulier ou s'ils se déplaçaient. Les chercheurs ont découvert que si les mouvements involontaires de leur microscope optique rendaient floues les vues des nanoparticules, l'utilisation du réseau d'ouvertures a montré que les nanoparticules ne se déplaçaient pas réellement à l'échelle atomique.

Cette histoire est republiée avec l'aimable autorisation du NIST. Lisez l'histoire originale ici.