Increíble microscopio ve átomos con una resolución récord

La resolución está tan ajustada que el único desenfoque que queda es el temblor térmico de los propios átomos.

Crédito: Universidad de Cornell.

En 2018, los investigadores de la Universidad de Cornell construyeron un detector de alta potencia que, en combinación con un proceso impulsado por algoritmos llamado pticografía, estableció un récord mundial al triplicar la resolución de un microscopio electrónico de última generación.

A pesar de lo exitoso que fue, ese enfoque tenía una debilidad. Solo funcionó con muestras ultrafinas que tenían unos pocos átomos de espesor. Cualquier cosa más gruesa haría que los electrones se dispersaran de formas que no podrían desenredarse.

Ahora, un equipo de la misma universidad dirigido por David Muller, ha superado su propio récord por un factor de dos con un detector de matriz de píxeles de microscopio electrónico (EMPAD) que incorpora algoritmos de reconstrucción 3D aún más sofisticados.

El artículo del grupo, La pticografía electrónica logra los límites de resolución atómica establecidos por las vibraciones de entramado, fue publicado el 20 de mayo en Science. El autor principal del artículo es el investigador postdoctoral Zhen Chen.

«Esto no solo establece un nuevo récord», señaló Muller. «Ha alcanzado un régimen que efectivamente será un límite máximo para la resolución. Básicamente, ahora podemos averiguar dónde están los átomos de una manera muy fácil. Esto abre una gran cantidad de nuevas posibilidades de medición de cosas que hemos querido hacer durante mucho tiempo. También resuelve un problema de larga data, deshaciendo la dispersión múltiple del haz en la muestra, que Hans Bethe estableció en 1928, que nos ha impedido hacer esto en el pasado».

La pticografía funciona escaneando patrones de dispersión superpuestos de una muestra de material y buscando cambios en la región superpuesta.

Imagen pticográfica de dos láminas de bisulfuro de molibdeno, una rotada 6,8 grados con respecto a la otra. Las distancias entre los átomos individuales varían desde una longitud total de enlace atómico hasta una superposición completa. Crédito: Universidad de Cornell.

«Estamos persiguiendo patrones de motas que se parecen mucho a esos patrones de puntero láser que fascinan a los gatos por igual», dijo Muller. «Al ver cómo cambia el patrón, podemos calcular la forma del objeto que causó el patrón».

El detector está ligeramente desenfocado, difuminando el haz, para capturar la mayor variedad de datos posible. Luego, estos datos se reconstruyen a través de algoritmos complejos, lo que da como resultado una imagen con una ultra precisión de picómetro (una billonésima de metro).

«Con estos nuevos algoritmos, ahora podemos corregir todo el desenfoque de nuestro microscopio, hasta el punto de que el factor de desenfoque más grande que nos queda es el hecho de que los átomos mismos se bambolean, porque eso es lo que les sucede a los átomos a una temperatura finita», explicó Muller. «Y cuando hablamos de temperatura, lo que en realidad estamos midiendo es la velocidad promedio de cuánto se mueven los átomos».

Los investigadores posiblemente podrían volver a superar su récord utilizando un material que consta de átomos más pesados, que se tambalean menos, o enfriando la muestra. Pero incluso a temperatura cero, los átomos todavía tienen fluctuaciones cuánticas, por lo que la mejora no sería muy grande.

Esta última forma de pticografía electrónica permitirá a los científicos localizar átomos individuales en las tres dimensiones cuando, de otro modo, podrían estar ocultos mediante otros métodos. Los investigadores también podrán encontrar átomos de impurezas en configuraciones inusuales y capturarlos en imagen uno a la vez. Esto podría ser particularmente útil para visualizar semiconductores, catalizadores y materiales cuánticos, incluidos los utilizados en la computación cuántica, así como para analizar átomos en los límites donde se unen los materiales.

El método de imágenes también podría aplicarse a células o tejidos biológicos gruesos, o incluso a las conexiones de sinapsis en el cerebro, a lo que Muller se refiere como «conectómica a pedido».

Si bien el método requiere mucho tiempo y es computacionalmente exigente, podría hacerse más eficiente con computadoras más potentes junto con el aprendizaje automático y detectores más rápidos.

«Queremos aplicar esto a todo lo que hacemos», dijo Muller, quien codirige el Instituto Kavli en Cornell para la ciencia a nanoescala y copreside el Grupo de trabajo de ingeniería de microsistemas y ciencia a nanoescala (NEXT Nano), parte de la iniciativa de colaboración radical de Cornell. «Hasta ahora, todos hemos estado usando anteojos realmente malos. Y ahora tenemos un par realmente bueno. ¿Por qué no querría quitarse las gafas viejas, ponerse las nuevas y usarlas todo el tiempo?»

Fuente: SciTechDaily. Edición: MP.