Микроскоп создает видеоролики наноразмерных процессов в режиме, близком к реальному времени: прибор сканирует изображения в 2000 раз быстрее, чем коммерческие модели.

Но сканирование этих изображений — кропотливый и трудоемкий процесс. Поэтому AFM использовались в основном для изображения статических образцов, так как они слишком медленны для захвата активных, изменяющихся сред.Теперь инженеры Массачусетского технологического института разработали атомно-силовой микроскоп, который сканирует изображения в 2000 раз быстрее, чем существующие коммерческие модели.

С помощью этого нового высокоскоростного прибора команда создавала изображения химических процессов, происходящих в наномасштабе, со скоростью, близкой к видео в реальном времени.В ходе одной демонстрации возможностей прибора исследователи отсканировали образец кальцита размером 70 на 70 микрон, когда он был сначала погружен в деионизированную воду, а затем подвергся воздействию серной кислоты. Команда наблюдала, как кислота разъедает кальцит, расширяя существующие ямы нанометрового размера в материале, которые быстро сливаются и приводят к послойному удалению кальцита по кристаллической структуре материала в течение нескольких секунд.Камаль Юсеф-Туми, профессор машиностроения в Массачусетском технологическом институте, говорит, что чувствительность и скорость инструмента позволят ученым наблюдать за процессами атомного размера в виде «фильмов» с высоким разрешением.

«Люди могут видеть, например, конденсацию, зародышеобразование, растворение или отложение материала и то, как это происходит в режиме реального времени — вещи, которые люди никогда раньше не видели», — говорит Юсеф-Туми. «Это фантастика, когда появляются эти детали. И это открывает большие возможности для исследования всего этого мира, который находится в наномасштабе».Дизайн и изображения группы, основанные на докторской работе Имана Солтани Бозчалой, ныне постдока факультета машиностроения, опубликованы в журнале Ultramicroscopy.

Большая картинкаАтомно-силовые микроскопы обычно сканируют образцы с помощью ультратонкого зонда или иглы, которая скользит по поверхности образца, отслеживая его топографию, подобно тому, как слепой человек читает шрифт Брайля.

Образцы располагаются на подвижной платформе или сканере, который перемещает образец в поперечном и вертикальном направлении под датчиком. Поскольку АСМ сканируют невероятно маленькие структуры, инструменты должны работать медленно, строка за строкой, чтобы избежать любых резких движений, которые могут изменить образец или размыть изображение. Такие обычные микроскопы обычно сканируют от одной до двух линий в секунду.

«Если образец статичен, на получение изображения может уйти от восьми до 10 минут», — говорит Юсеф-Туми. «Но если что-то меняется, то представьте, что вы очень медленно начнете сканирование сверху. К тому времени, когда вы дойдете до низа, образец изменился, и поэтому информация на изображении неверна, поскольку он был растянут. со временем."Чтобы ускорить процесс сканирования, ученые попытались построить более гибкие платформы меньшего размера, которые сканируют образцы быстрее, хотя и на меньшей площади. Бозчалой говорит, что такие сканеры, хотя и быстрые, не позволяют ученым уменьшать масштаб, чтобы увидеть более широкий обзор или изучить более крупные объекты.

«Это как если бы вы приземлялись где-то в Соединенных Штатах и ​​не знаете, где приземляетесь, и вам говорят, что где бы вы ни приземлились, вам разрешено осматриваться только на несколько кварталов вокруг и на ограниченную высоту», — говорит Божалой. . «Невозможно получить более широкую картину».Сканирование синхронноБозчалой придумал дизайн, обеспечивающий высокоскоростное сканирование как в большом, так и в маленьком диапазоне.

Основное нововведение сосредоточено на многоактном сканере и его управлении: платформа для образцов включает в себя более быстрый сканер меньшего размера, а также более крупный и медленный сканер для каждого направления, которые работают вместе как одна система для сканирования широкой трехмерной области с высокой скоростью. .Другие попытки многоактивных сканеров были заблокированы, в основном из-за взаимодействия между сканерами: движение одного сканера может повлиять на точность и движение другого. Исследователи также обнаружили, что сложно управлять каждым сканером отдельно и заставить их работать со всеми остальными компонентами микроскопа. Бозчалой говорит, что для сканирования каждого нового образца ученому потребуется выполнить несколько настроек и регулировок нескольких компонентов прибора.Чтобы упростить использование многозадачного инструмента, Божалой разработал алгоритмы управления, которые учитывают влияние одного сканера на другой.

«Наш контроллер может перемещать маленький сканер так, что он не возбуждает большой сканер, потому что мы знаем, какое движение запускает этот сканер, и наоборот», — говорит Божалой. «В конце концов, они работают синхронно, поэтому с точки зрения ученого этот сканер выглядит как единственный высокоскоростной сканер большого диапазона, который не усложняет работу прибора».После оптимизации других компонентов микроскопа, таких как оптика, приборы и системы сбора данных, команда обнаружила, что инструмент может сканировать образец кальцита вперед и назад без какого-либо повреждения зонда или образца.

Микроскоп сканирует образец быстрее, чем 2000 герц, или 4000 линий в секунду — в 2000 раз быстрее, чем существующие коммерческие АСМ. Это означает от восьми до 10 кадров в секунду.

Бозчалой говорит, что инструмент не имеет ограничений по дальности визуализации и для максимальной скорости датчика может сканировать сотни микрон, а также объекты изображения высотой в несколько микрон.«Мы хотим перейти к реальному видео со скоростью не менее 30 кадров в секунду», — говорит Юсеф-Туми. «Надеюсь, мы сможем поработать над улучшением инструмента и элементов управления, чтобы мы могли делать видеоизображения с высокой скоростью, сохраняя при этом большой диапазон и удобство использования.

Было бы здорово увидеть это».Это исследование было частично поддержано Центром чистой воды и чистой энергии при Массачусетском технологическом институте и KFUPM, а также National Instruments.


Новости со всего мира