Les chercheurs du laboratoire de physique de l'Université de l'Oregon de Ben McMorran ont passé une excellente année 2018 publiant quatre articles sur leurs efforts pour donner une nouvelle vie aux microscopes électroniques à transmission à balayage pour la recherche médicale et sur les matériaux.

Ils ont créé une technique, Holographie STEM, qui envoie des électrons le long de deux chemins distincts, l'un passant par un échantillon et l'autre non. Cela leur permet de mesurer le délai entre eux pour créer une image haute résolution. Il offre une résolution atomique améliorée de la structure externe d'un échantillon et dévoile des interfaces inédites entre un échantillon et le matériau sous-jacent.

Les chercheurs ont testé leur technique sur des nanoparticules d'or, substrats de carbone et champs électriques. Finalement, il pourrait être modifié pour une utilisation sur des échantillons biologiques vivants, dit McMorran, professeur agrégé au Département de physique.

"Cette technique nous permet d'étudier des matériaux à haute résolution, les mesurer avec précision et les comprendre mieux qu'auparavant, " a déclaré le doctorant Fehmi Yasin. " Peut-on imager des matériaux biomoléculaires à une résolution atomique sans les détruire ? Pas encore, mais notre technique est un bon premier pas."

Chercheurs en Allemagne, Le Japon et les États-Unis ont théorisé il y a 30 ans qu'une telle approche était possible, mais la technologie disponible ne leur a pas permis de le démontrer comme une technique d'imagerie pratique, dit Yasine. Des chercheurs de l'UO ont maintenant montré, à l'aide de microscopes à l'UO, Lawrence Berkeley National Laboratory et Hitachi Ltd. Research and Development Group au Japon, que l'holographie STEM fonctionne.

La technique s'appuie sur l'holographie électronique, une autre avancée récente qui nécessite l'état de l'art, canons à électrons hors de prix, ouvertures spécialement conçues et alimentations très stables pour offrir une résolution à l'échelle atomique.

"En utilisant l'holographie STEM flexible, une émanation que nous avons développée en collaboration avec Toshiaki Tanigaki chez Hitachi, nous pouvons maintenant capturer avec plus de précision les géométries intéressantes des matériaux, " Yasin a dit, "Précédemment, le champ de vision de l'holographie STEM était limité à peut-être 30 nanomètres. L'utilisation de l'holographie STEM flexible élargit le champ de vision."

Le premier microscope électronique à transmission a été fabriqué en Allemagne par Max Knoll, un ingénieur électricien, et Ernst Ruska, un physicien, en 1931. La première version commerciale est apparue en 1939. Ruska a remporté le prix Nobel de physique pour ses efforts en 1986.

Les microscopes de plusieurs millions de dollars créent des micrographies lorsqu'un faisceau d'électrons traverse une fine tranche d'un échantillon. Traditionnellement dans les microscopes électroniques à transmission à balayage, des champs magnétiques sont utilisés pour focaliser le faisceau sur un point de la taille d'un atome d'un échantillon. Ce faisceau est ensuite balayé à travers un échantillon, mais un grand nombre d'électrons sont nécessaires pour voir quoi que ce soit car la plupart d'entre eux traversent un échantillon sans être déviés.

L'approche UO place un réseau de diffraction au-dessus d'un échantillon, créant des faisceaux supplémentaires frappant l'échantillon et un hologramme en dessous. Cela capture les signaux des électrons qui ne sont pas dispersés et les détails sur la façon dont les autres sont ralentis lorsqu'ils traversent un échantillon.

La récente série d'articles a confirmé que l'holographie STEM correspond aux simulations informatiques.

"Nous avons mis le microscope électronique dans des conditions où nous pourrions isoler le signal qui nous intéresse, et nous avons examiné plusieurs types d'échantillons différents, " a déclaré l'ancien doctorant de l'UO Tyler Harvey, maintenant chercheur postdoctoral à l'Université de Göttingen. "Nous avons également simulé des images d'un échantillon et constaté que les simulations correspondaient très bien à l'expérience."

Dans un article de décembre dirigé par Harvey dans le journal Examen physique appliqué , l'équipe de l'UO a détaillé la technique et son fonctionnement théorique.

Dans un document séparé en Lettres nano , une équipe dirigée par Yasin a montré que la technique fournit des images de résolution inférieure au nanomètre de matériaux à base de carbone. La couleur représente l'épaisseur, ce qui ajoute une troisième dimension et améliore les mesures.

Les images étaient aussi claires que prévu avec un faible nombre d'électrons, les chercheurs ont noté.

"Nous pensons que l'holographie STEM sera un excellent outil pour la science des matériaux et la biologie, " a déclaré Harvey. " La technique excelle vraiment dans l'imagerie des champs électriques et magnétiques, et il peut le faire tout en faisant la chose à laquelle la plupart des scientifiques des matériaux se soucient le plus :voir où sont les atomes. »

La possibilité d'utiliser la technique sur des échantillons biologiques est loin, mais pouvoir le faire en toute sécurité pourrait avoir d'énormes bénéfices, dit Yasine.

"Nous avons maintenant beaucoup de médicaments qui attaquent la composition d'un cancer, " Yasin a déclaré. "Mais cette composition est similaire dans tout notre corps, ces médicaments anticancéreux attaquent donc simultanément les cellules malades et les autres cellules du corps. Si nous connaissions la position de chaque atome dans la cellule cancéreuse, nous pourrions nous développer beaucoup mieux, médicaments plus efficaces, sans les effets secondaires mortels."

McMorran a d'abord écrit sur l'idée d'utiliser une approche d'hologramme dans un article de janvier 2011 dans Science, lorsqu'il travaillait au National Institute of Standards and Technology du Maryland.

Dans son laboratoire UO, soutenu par la National Science Foundation et le U.S. Department of Energy, les chercheurs ont poursuivi quatre domaines, qui cherchent tous à imager des portions de matériaux qui ont été difficiles à détecter.

Les quatre domaines se concentrent sur les matériaux transparents, y compris les biomatériaux ou d'autres molécules organiques ; champs électriques, tels que la charge et sa répartition dans des transistors simples; champs magnétiques, tels que les matériaux maintenant sur les disques durs et potentiellement utiles en spintronique ; et les électrons et qubits qui devraient être utilisés dans les ordinateurs quantiques.

"N'importe laquelle de ces quatre choses pourrait ne pas fonctionner, " dit McMorran, qui est également membre du Materials Science Institute et de l'Oregon Center for Optical, Sciences moléculaires et quantiques. "Il existe peut-être une meilleure technique qui finira par être la meilleure pour certains. Nous développons peut-être un outil utile pour accéder aux quatre possibilités ou peut-être à l'une d'entre elles. En ce moment, toutes les flèches pointent vers les quatre."