Les microscopes à force atomique (AFM) de pointe sont conçus pour capturer des images de structures aussi petites qu'une fraction de nanomètre, un million de fois plus petites que la largeur d'un cheveu humain. Dans les années récentes, Les AFM ont produit des gros plans dignes d'un ordinateur de bureau de structures de la taille d'un atome, des simples brins d'ADN aux liaisons hydrogène individuelles entre les molécules.

Mais numériser ces images est un travail méticuleux, processus chronophage. Les AFM ont donc été principalement utilisés pour imager des échantillons statiques, car ils sont trop lents pour capturer les actifs, environnements changeants.

Aujourd'hui, les ingénieurs du MIT ont conçu un microscope à force atomique qui scanne les images 2, 000 fois plus rapide que les modèles commerciaux existants. Avec ce nouvel instrument à grande vitesse, l'équipe a produit des images de processus chimiques se déroulant à l'échelle nanométrique, à un rythme proche de la vidéo en temps réel.

Dans une démonstration des capacités de l'instrument, les chercheurs ont scanné un échantillon de calcite de 70 microns sur 70 microns lorsqu'il a d'abord été immergé dans de l'eau déminéralisée, puis exposé à de l'acide sulfurique. L'équipe a observé que l'acide rongeait la calcite, élargir les fosses existantes de la taille du nanomètre dans le matériau qui ont rapidement fusionné et ont conduit à une élimination couche par couche de la calcite le long du motif cristallin du matériau, sur une période de plusieurs secondes.

Kamal Youcef-Toumi, professeur de génie mécanique au MIT, affirme que la sensibilité et la vitesse de l'instrument permettront aux scientifiques de regarder des processus de taille atomique se dérouler sous forme de "films" haute résolution.

"Les gens peuvent voir, par exemple, condensation, nucléation, dissolution, ou dépôt de matière, et comment ceux-ci se produisent en temps réel - des choses que les gens n'ont jamais vues auparavant, » déclare Youcef-Toumi. « C'est fantastique de voir ces détails émerger. Et cela ouvrira de grandes opportunités pour explorer tout ce monde à l'échelle nanométrique."

Le design et les images du groupe, qui sont basées sur les travaux de thèse d'Iman Soltani Bozchalooi, maintenant post-doctorant au Département de génie mécanique, sont publiés dans la revue Ultramicroscopy.

La grande image

Les microscopes à force atomique scannent généralement des échantillons à l'aide d'une sonde ultrafine, ou une aiguille, qui effleure la surface d'un échantillon, tracer sa topographie, de la même manière qu'une personne aveugle lit le braille. Les échantillons reposent sur une plate-forme mobile, ou scanner, qui déplace l'échantillon latéralement et verticalement sous la sonde. Parce que les AFM scannent des structures incroyablement petites, les instruments doivent travailler lentement, ligne par ligne, pour éviter tout mouvement brusque qui pourrait altérer l'échantillon ou brouiller l'image. De tels microscopes conventionnels balayent typiquement environ une à deux lignes par seconde.

"Si l'échantillon est statique, il n'y a rien de mal à prendre 8 à 10 minutes pour prendre une photo, " dit Youcef-Toumi. " Mais si c'est quelque chose qui change, alors imaginez si vous commencez à numériser à partir du haut très lentement. Au moment où vous arrivez au fond, l'échantillon a changé, et donc les informations dans l'image ne sont pas correctes, car il s'est étiré dans le temps."

Pour accélérer le processus de numérisation, les scientifiques ont essayé de construire plus petit, des plateformes plus agiles qui scannent les échantillons plus rapidement, bien que sur une zone plus petite. Bozchalooi dit que de tels scanners, tout en étant rapide, ne permettez pas aux scientifiques de dézoomer pour voir une vue plus large ou étudier des caractéristiques plus grandes.

"C'est comme si vous atterrissiez quelque part aux États-Unis et que vous n'aviez aucune idée de l'endroit où vous atterrissez, et on vous dit où que vous atterrissiez, vous n'êtes autorisé à regarder que quelques pâtés de maisons et jusqu'à une hauteur limitée, " Bozchalooi dit. "Il n'y a aucun moyen que vous puissiez obtenir une image plus grande."

Numérisation en synchronisation

Bozchalooi a proposé une conception pour permettre une numérisation à grande vitesse sur de grandes et petites plages. L'innovation principale se concentre sur un scanner multi-actionné et son contrôle :Une plate-forme d'échantillon intègre un plus petit, scanner plus rapide ainsi qu'un plus grand, scanner plus lent pour toutes les directions, qui fonctionnent ensemble comme un seul système pour numériser une vaste région 3-D à grande vitesse.

D'autres tentatives de scanners multi-actionnés ont été bloquées, principalement en raison des interactions entre les scanners :le mouvement d'un scanner peut affecter la précision et le mouvement de l'autre. Les chercheurs ont également découvert qu'il est difficile de contrôler chaque scanner séparément et de les faire fonctionner avec tous les autres composants d'un microscope. Pour scanner chaque nouvel échantillon, Bozchalooi dit qu'un scientifique devrait effectuer plusieurs réglages et ajustements sur plusieurs composants de l'instrument.

Pour simplifier l'utilisation de l'instrument multiactionné, Bozchalooi a développé des algorithmes de contrôle qui prennent en compte l'effet d'un scanner sur l'autre.

"Notre contrôleur peut déplacer le petit scanner de manière à ne pas exciter le gros scanner, parce que nous savons quel genre de mouvement déclenche ce scanner, et vice versa, " Bozchalooi dit. "En fin de compte, ils travaillent en synchronie, donc du point de vue du scientifique, ce scanner ressemble à un seul, grande vitesse, scanner à grande portée qui n'ajoute aucune complexité au fonctionnement de l'instrument."

Après avoir optimisé les autres composants du microscope, comme l'optique, instrumentation, et systèmes d'acquisition de données, l'équipe a découvert que l'instrument était capable de balayer un échantillon de calcite en avant et en arrière, sans endommager la sonde ou l'échantillon. Le microscope scanne un échantillon plus rapidement que 2, 000 hertz, ou 4, 000 lignes par seconde—2, 000 fois plus rapide que les AFM commerciaux existants. Cela se traduit par environ huit à 10 images par seconde. Bozchalooi dit que l'instrument n'a pas de limite sur la plage d'imagerie et pour une vitesse de sonde maximale, peut numériser sur des centaines de microns, ainsi que des caractéristiques d'image de plusieurs microns de haut.

"Nous voulons passer à la vraie vidéo, soit au moins 30 images par seconde, " dit Youcef-Toumi. " J'espère que nous pourrons travailler sur l'amélioration de l'instrument et des commandes afin que nous puissions faire de l'imagerie à taux vidéo tout en maintenant sa large gamme et en le gardant convivial. Ce serait quelque chose de formidable à voir."