n MIDI-STEM (à droite), développé au Berkeley Lab, un faisceau d'électrons traverse une "plaque de phase" annelée, " produisant une image haute résolution (en bas à droite) qui fournit des détails sur un échantillon contenant un élément lourd (or) et un élément léger (carbone). Les détails sur le carbone sont manquants dans une image (en bas à gauche) de l'échantillon à l'aide d'un technique d'imagerie électronique (ADF-STEM).Crédit :(Colin Ophus/Berkeley Lab, Communication Nature :10.1038/ncomms10719
Les électrons peuvent étendre notre vision des objets microscopiques bien au-delà de ce qui est possible avec la lumière visible, jusqu'à l'échelle atomique. Une méthode populaire en microscopie électronique pour regarder dur, les matériaux résilients dans les détails atomiques sont appelés STEM, ou microscopie électronique à transmission à balayage, mais le faisceau d'électrons hautement focalisé utilisé dans STEM peut également facilement détruire des échantillons délicats.
C'est pourquoi utiliser des électrons pour imager des composés biologiques ou d'autres composés organiques, tels que les mélanges chimiques contenant du lithium, un métal léger qui est un élément populaire dans la recherche sur les batteries de nouvelle génération, nécessite une très faible dose d'électrons.
Les scientifiques du Department of Energy'sc Lawrence Berkeley National Laboratory (Berkeley Lab) ont développé une nouvelle technique d'imagerie, testé sur des échantillons d'or et de carbone nanométriques, qui améliore considérablement les images d'éléments légers en utilisant moins d'électrons.
La technique nouvellement démontrée, surnommé MIDI-STEM, pour éclairage adapté et interférométrie de détecteur STEM, combine STEM avec un dispositif optique appelé plaque de phase qui modifie l'alternance crête-à-creux, propriétés ondulatoires (appelées phase) du faisceau d'électrons.
Cette plaque de phase modifie le faisceau d'électrons d'une manière qui permet de mesurer les changements subtils d'un matériau, révélant même des matériaux qui seraient invisibles dans l'imagerie STEM traditionnelle.
Une autre méthode basée sur les électrons, que les chercheurs utilisent pour déterminer la structure détaillée de délicats, échantillons biologiques congelés, est appelée cryomicroscopie électronique, ou cryo-EM. Alors que la cryo-EM à une particule est un outil puissant, il a été nommé journal scientifique La nature Méthode de l'année 2015 de 2015 — il faut généralement faire une moyenne sur de nombreux échantillons identiques pour être efficace. La cryo-EM n'est généralement pas utile pour étudier des échantillons avec un mélange d'éléments lourds (par exemple, la plupart des types de métaux) et des éléments légers comme l'oxygène et le carbone.
Cette image montre un motif d'interférence (en bas à droite) introduit par un objet annelé appelé plaque de phase (en haut à droite) lorsque les électrons traversent un échantillon. Le rouge représente un faisceau d'électrons et l'onde bleue au centre représente le changement de phase des électrons traversant un échantillon sous la forme d'un mouvement ondulatoire. À droite se trouve une technique développée par Berkeley Lab appelée MIDI-STEM et à gauche une technique conventionnelle, TIGE, qui n'utilise pas de plaque de phase. Crédit :Colin Ophus/Berkeley Lab
"La méthode MIDI-STEM donne l'espoir de voir des structures avec un mélange d'éléments lourds et légers, même lorsqu'ils sont serrés les uns contre les autres, " dit Colin Ophus, un scientifique du projet à la fonderie moléculaire de Berkeley Lab et auteur principal d'une étude, publié le 29 février dans Communication Nature , qui détaille cette méthode.
Si vous prenez une nanoparticule d'élément lourd et ajoutez des molécules pour lui donner une fonction spécifique, les techniques conventionnelles ne fournissent pas une solution facile, un moyen clair de voir les zones où la nanoparticule et les molécules ajoutées se rencontrent.
« Comment sont-ils alignés ? Comment sont-ils orientés ? » demanda Ophus. "Il y a tellement de questions sur ces systèmes, et parce qu'il n'y avait pas moyen de les voir, nous ne pouvions pas y répondre directement."
Alors que le STEM traditionnel est efficace pour les échantillons « durs » qui peuvent résister à des faisceaux d'électrons intenses, et cryo-EM peut imager des échantillons biologiques, "On peut faire les deux à la fois" avec la technique MIDI-STEM, dit Pierre Ercius, un scientifique du Berkeley Lab à la Molecular Foundry et co-auteur de l'étude.
La plaque de phase dans la technique MIDI-STEM permet une mesure directe de la phase des électrons qui sont faiblement diffusés lorsqu'ils interagissent avec les éléments légers de l'échantillon. Ces mesures sont ensuite utilisées pour construire des images dites à contraste de phase des éléments. Sans cette information de phase, les images haute résolution de ces éléments ne seraient pas possibles.
Dans cette étude, les chercheurs ont combiné la technologie des plaques de phase avec l'un des STEM à la plus haute résolution au monde, à la fonderie moléculaire de Berkeley Lab, et un détecteur d'électrons à grande vitesse.
Ils ont produit des images d'échantillons de nanoparticules d'or cristallines, qui mesurait plusieurs nanomètres de diamètre, et le film super-mince de carbone amorphe sur lequel les particules étaient assises. Ils ont également effectué des simulations informatiques qui ont validé ce qu'ils ont vu dans l'expérience.
La technologie des plaques de phase a été développée dans le cadre d'une subvention de recherche et développement dirigée par le laboratoire Berkeley Lab en collaboration avec Ben McMorran de l'Université de l'Oregon.
The MIDI-STEM technique could prove particularly useful for directly viewing nanoscale objects with a mixture of heavy and light materials, such as some battery and energy-harvesting materials, that are otherwise difficult to view together at atomic resolution.
It also might be useful in revealing new details about important two-dimensional proteins, called S-layer proteins, that could serve as foundations for engineered nanostructures but are challenging to study in atomic detail using other techniques.
À l'avenir, a faster, more sensitive electron detector could allow researchers to study even more delicate samples at improved resolution by exposing them to fewer electrons per image.
"If you can lower the electron dose you can tilt beam-sensitive samples into many orientations and reconstruct the sample in 3-D, like a medical CT scan. There are also data issues that need to be addressed, " Ercius said, as faster detectors will generate huge amounts of data. Another goal is to make the technique more "plug-and-play, " so it is broadly accessible to other scientists.
