Les scientifiques des matériaux utilisent généralement la microscopie électronique à transmission (MET) en phase solution pour révéler les propriétés physicochimiques uniques des structures tridimensionnelles (3-D) des nanocristaux. Dans un nouveau rapport sur Avancées scientifiques , Cyril F. Reboul et une équipe de recherche de l'Université Monash, Australie, Université Nationale de Seoul, Corée du Sud, et le Lawrence Berkeley National Laboratory aux États-Unis, a développé une méthode de reconstruction 3D brownienne à particule unique. Pour y parvenir, ils ont imagé des ensembles de nanocristaux colloïdaux à l'aide de la microscopie électronique à transmission à cellule liquide de graphène. L'équipe a obtenu des images de projection de nanocristaux ayant subi une rotation différente à l'aide d'un détecteur d'électrons direct pour obtenir un ensemble de reconstructions 3D. Dans ce travail, ils ont introduit des méthodes de calcul pour reconstruire avec succès des nanocristaux 3D à une résolution atomique et y sont parvenus en suivant des particules individuelles au fil du temps, tout en soustrayant le bruit de fond perturbateur. La méthode pourrait également identifier/rejeter des images de faible qualité pour faciliter des stratégies personnalisées pour l'alignement 2-D/3-D qui différaient de celles de la cryomicroscopie biologique. L'équipe a rendu les développements disponibles via un progiciel open source connu sous le nom de SINGLE. Le logiciel gratuit est disponible sur GitHub.

Utilisation de SINGLE pour la cristallographie

Les chercheurs ont soutenu les progrès de la cristallographie au cours des 50 dernières années pour transformer la compréhension existante de la chimie et de la biologie. Néanmoins, certaines cibles, y compris les nanocristaux solubilisés, restent intraitables par les méthodes cristallographiques traditionnelles. Par exemple, les nanocristaux colloïdaux contiennent des dizaines à des centaines d'atomes et maintiennent une variété d'applications dans des domaines multidisciplinaires, notamment l'électronique, catalyse et capteurs biologiques. Les polyvalences découlent de la grande sensibilité des propriétés des nanocristaux à la taille, composition chimique et d'autres variables au cours de la synthèse. Typiquement, les scientifiques utilisent une seule particule, Reconstruction 3-D en biologie structurale pour déterminer la structure des protéines. La technique est relativement nouvelle pour la reconstruction 3-D in-situ de nanocristaux individuels solubilisés. Dans ce travail, Reboul et al. développé UNIQUE; une méthode qui reposait sur la reconstruction 3D indépendante de nanocristaux individuels solubilisés, y compris le mouvement brownien. La technique est une première avancée dans l'étude pour résoudre les structures atomiques 3D des nanocristaux directement à partir de la phase de solution.

Les scientifiques ont introduit de nouvelles méthodes de prétraitement pour améliorer le rapport signal sur bruit (SNR) afin de suivre les trajectoires des particules tout en supprimant le signal de fond induit par le graphène. Des méthodes de calcul avancées pourraient réussir à reconstruire en 3D à partir des données de microscopie électronique à transmission de cellules de graphène liquide (GLC) in situ. Par rapport aux techniques existantes, le travail a présenté l'applicabilité d'une méthode de calcul sans précédent pour obtenir des reconstructions 3D à résolution atomique pour les nanocristaux dispersés en solution. Ils ont divisé le flux de travail SINGLE en deux étapes principales (1) le prétraitement et (2) la reconstruction 3-D des particules. Les scientifiques visaient à fournir les performances et l'efficacité les plus élevées possibles sur n'importe quel matériel CPU, y compris les superordinateurs aux postes de travail ou même aux ordinateurs portables.

En premier, l'équipe a fait la moyenne de la fenêtre temporelle sur plusieurs images avec un mouvement anisotrope pour améliorer le rapport signal/bruit, conduisant à des particules visibles et à un signal de graphène amélioré. L'équipe a ensuite identifié les positions des particules manuellement dans la moyenne de la première fenêtre temporelle. Après, l'équipe a développé un modèle de départ basé sur la structure cristallographique attendue, diamètre des particules et des éléments constitutifs et produit des reconstructions 3D avec des coordonnées atomiques adaptées pour l'analyse de la structure à l'échelle atomique.

Reboul et al. introduit une nouvelle méthode de suivi utilisant des transformées de Fourier rapides et la corrélation de phase pour identifier un maximum de corrélation avec une précision inférieure au pixel. L'équipe a débruité la fenêtre temporelle d'extraction en utilisant un débruitage basé sur la variation totale (TV) et un débruitage combiné et une moyenne temporelle pour fournir une méthode robuste pour suivre le mouvement des nanocristaux individuels dans l'échantillon. La méthode leur a permis de discerner la forme globale des nanocristaux et/ou leurs caractéristiques cristallines, ce qui atteste de la robustesse de l'algorithme de suivi. En utilisant la méthode, ils ont également récupéré des trajectoires auparavant difficiles pour obtenir des reconstructions 3D et ont utilisé une trajectoire de particules soustraite en arrière-plan dans toutes les étapes de traitement d'image pour la soustraction de graphène du GLC (cellule liquide de graphène). L'équipe a en outre caractérisé la nature des rotations des nanocristaux dans l'espace très confiné de la cellule liquide de graphène. La méthode n'était pas triviale en raison de la nature probabiliste de l'algorithme de reconstruction 3-D. L'équipe a donc intégré une approche déterministe pour améliorer la précision du cluster, tout en améliorant le rapport signal sur bruit par rapport aux images individuelles.

Génération de modèles

Les chercheurs ont ensuite développé un modèle de départ en utilisant la connaissance que les particules ont un arrangement de position atomique approximativement cubique. Ils ont simulé les densités atomiques en utilisant des facteurs de diffusion atomique 5-gaussiens. Les projections 2D de la densité 3D simulée représentaient le caractère des projections au cœur du nanocristal, pour surmonter les problèmes liés à la symétrie translationnelle et à un signal de fond brouilleur. La méthode de raffinement 3-D utilisée pour la cryomicroscopie biologique n'a pas pu être directement appliquée aux données de séries chronologiques de nanocristaux; donc, Reboul et al. introduit des modifications critiques. Ils ont utilisé un schéma de raffinement en deux étapes pour établir la forme correcte du nanocristal pour permettre aux atomes et à leurs formes de piloter l'alignement 3-D. Les chercheurs ont choisi trois nanocristaux de différentes tailles qui n'avaient pas été reconstruits auparavant pour l'analyse comparative, puis en utilisant des cartes atomiques produites avec la méthode, Reboul et al. obtenu des détails structurels microscopiques au niveau atomique. Le travail a également facilité les cartes atomiques détaillant l'analyse des contraintes et l'analyse de la structure cellulaire unitaire.

Validation des reconstructions 3D

Les chercheurs ont en outre généré un modèle de nanocristal désordonné à l'aide de simulations de dynamique moléculaire pour comprendre l'applicabilité de SINGLE aux nanocristaux hautement désordonnés. À l'aide de simulations multi-tranches, ils ont appliqué un mouvement de translation et des variations de défocalisation aléatoires pour représenter le mouvement réaliste des particules. Ils ont ensuite obtenu une carte de densité 3D du nanocristal désordonné à partir de 500 images simulées avec un rapport signal sur bruit de 0,1 et un modèle de départ avec un ordre cristallin parfait pour s'accorder parfaitement avec les particules d'origine. L'équipe a obtenu la distribution des directions de projection des nanocristaux en rotation pour valider la qualité de la reconstruction 3D et nécessitera d'autres études pour comprendre comment les structures atomiques réelles des nanocristaux affectent la dynamique de rotation.

De cette façon, Cyril F. Reboul et ses collègues ont démontré des méthodes de calcul dans SINGLE pour obtenir des cartes de densité de nanocristaux à résolution atomique. En utilisant une configuration avancée de cellules liquides telles que des cellules liquides de graphène avec des nanochambres ordonnées, l'équipe a permis de contrôler l'épaisseur du liquide pour étendre l'applicabilité de SINGLE pour une acquisition de données efficace. La suite SINGLE a fourni une première plate-forme analytique efficace pour comprendre l'origine structurelle des propriétés physiques et chimiques uniques des nanocristaux dans leur phase de solution native.

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