美國(guó)國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)技術(shù)研究院(NIST)的研究人員及其合作者已經(jīng)開發(fā)出一種方法，可以改造透射電子顯微鏡(一種用于制作清晰的顯微圖像的長(zhǎng)期科學(xué)力量)，以便它還可以制作高質(zhì)量的超級(jí)電影。 -快速的原子和分子過程。通過與舊的和新的電子顯微鏡兼容，該翻新有望通過使這種電影攝制功能更廣泛地應(yīng)用于世界各地的實(shí)驗(yàn)室，從而使您能夠洞悉從顯微鏡機(jī)器到下一代計(jì)算機(jī)芯片和生物組織的所有事物。

NIST科學(xué)家June Lau說：“我們希望能夠觀察到材料科學(xué)中很快發(fā)生的事情。” 她在《科學(xué)儀器評(píng)論》(Review of Scientific Instruments)雜志上與同事們一起報(bào)告了這種改進(jìn)設(shè)計(jì)的首次概念驗(yàn)證操作。該團(tuán)隊(duì)將改造設(shè)計(jì)為現(xiàn)有儀器的經(jīng)濟(jì)高效的附加組件。她說：“這預(yù)計(jì)將是新型電子顯微鏡成本的一小部分。”

電子顯微鏡是一項(xiàng)已有近100年歷史的發(fā)明，在許多科學(xué)實(shí)驗(yàn)室中仍然是必不可少的工具。流行的版本稱為透射電子顯微鏡(TEM)，它可以通過目標(biāo)樣品發(fā)射電子以產(chǎn)生圖像。現(xiàn)代版本的顯微鏡可以將物體放大多達(dá)五千萬倍。電子顯微鏡有助于確定病毒的結(jié)構(gòu)，測(cè)試計(jì)算機(jī)電路的運(yùn)行并揭示新藥的有效性。

Lau說：“電子顯微鏡可以在原子尺度上觀察非常小的物體。” 她說：“它們很棒。但是從歷史上看，它們只關(guān)注時(shí)間固定的事物。它們不善于觀察移動(dòng)的目標(biāo)。”

在過去的15年中，激光輔助電子顯微鏡使視頻成為可能，但是這種系統(tǒng)非常復(fù)雜且昂貴。雖然這些設(shè)置可以捕獲持續(xù)時(shí)間從納秒(十億分之一秒)到飛秒(十億分之一秒)的事件，但是實(shí)驗(yàn)室通常必須購買更新的顯微鏡來適應(yīng)這種能力以及專用激光器，而總投資可以花費(fèi)數(shù)百萬美元 實(shí)驗(yàn)室還需要內(nèi)部激光物理學(xué)專業(yè)知識(shí)來幫助建立和操作這種系統(tǒng)。

劉說：“坦率地說，并不是每個(gè)人都有這種能力。”

相反，通過使用相對(duì)簡(jiǎn)單的“ 光束斬波器” ，改造可使任何年齡的TEM都能在皮秒級(jí)(萬億分之一秒)的范圍內(nèi)制作高質(zhì)量的電影。原則上，光束斬波器可用于任何制造商的TEM。要安裝它，NIST研究人員在電子源正下方打開顯微鏡柱，插入光束斬波器，然后再次關(guān)閉顯微鏡。Lau和她的同事已成功改裝了三種不同功能和年份的TEM。

像頻閃儀一樣，該光束斬波器釋放出精確定時(shí)的電子脈沖，可以捕獲重要的重復(fù)或循環(huán)過程的幀。

勞說：“想象一下摩天輪，它以周期性和可重復(fù)的方式運(yùn)動(dòng)。” “如果我們使用針孔相機(jī)進(jìn)行記錄，它看起來會(huì)模糊。但是我們希望看到個(gè)別的汽車。我可以在針孔相機(jī)前面放置一個(gè)快門，以使快門速度與車輪的運(yùn)動(dòng)相匹配。我們可以只要指定的汽車到達(dá)頂部，百葉窗就會(huì)打開。這樣，我就可以制作一堆圖像，顯示每輛汽車在摩天輪的頂部。”

像光閘一樣，斬波器會(huì)中斷連續(xù)的電子束。但是，與具有可打開和關(guān)閉的光圈的百葉窗不同，該光束光圈始終保持打開狀態(tài)，從而無需復(fù)雜的機(jī)械零件。

金(Au)納米粒子的透射電子顯微鏡(TEM)圖像被連續(xù)電子束(左)和脈沖束(右)放大了200,000倍。規(guī)模為5納米(nm)。圖片來源：NIST

而是，光束斬波器在電子束的方向上產(chǎn)生射頻(RF)電磁波。Lau說，該波使行進(jìn)的電子表現(xiàn)出“像軟木塞在水波的表面上上下擺動(dòng)”的行為。

騎著這個(gè)波，電子在接近孔徑時(shí)遵循波狀路徑。除了與孔徑完全對(duì)準(zhǔn)的電子外，大多數(shù)電子都被阻擋了。射頻波的頻率是可調(diào)的，因此電子每秒可撞擊樣品4000萬至120億次。結(jié)果，研究人員可以約10納秒至10皮秒的時(shí)間間隔捕獲樣品中的重要過程。

這樣，經(jīng)過NIST改裝的顯微鏡可以捕獲微型機(jī)械(如微機(jī)電系統(tǒng)(MEMS)和納米機(jī)電系統(tǒng)(NEMS))中來回運(yùn)動(dòng)的原子級(jí)細(xì)節(jié)。它可以潛在地研究用于高速通信的天線中規(guī)則重復(fù)的信號(hào)，并探測(cè)下一代計(jì)算機(jī)處理器中的電流運(yùn)動(dòng)。

在一個(gè)演示中，研究人員希望證明改裝后的顯微鏡的功能與改裝前相同。他們以傳統(tǒng)的“連續(xù)”模式和脈沖束模式對(duì)金納米顆粒成像。脈沖模式下的圖像具有與靜態(tài)圖像相當(dāng)?shù)那逦群头直媛省?/p>

Lau說：“我們對(duì)其進(jìn)行了設(shè)計(jì)，因此應(yīng)該相同。”

光束斬波器還可以執(zhí)行雙重任務(wù)，將射頻能量泵入材料樣本中，然后為結(jié)果拍照。研究人員通過將微波(一種無線電波形式)注入金屬的梳狀MEMS器件來證明這種能力。微波在MEMS器件內(nèi)產(chǎn)生電場(chǎng)，并導(dǎo)致電子的入射脈沖發(fā)生偏轉(zhuǎn)。這些電子偏轉(zhuǎn)使研究人員能夠制作通過MEMS梳傳播的微波的電影。

Lau和她的同事們希望他們的發(fā)明能夠很快取得新的科學(xué)發(fā)現(xiàn)。例如，它可以研究分子級(jí)存儲(chǔ)設(shè)備中迅速變化的磁場(chǎng)的行為，這些設(shè)備有望存儲(chǔ)比以前更多的信息。

研究人員花了六年的時(shí)間開發(fā)和開發(fā)了他們的光束斬波器，并因其工作獲得了多項(xiàng)專利和R&D 100獎(jiǎng)。該工作的共同作者包括紐約阿普頓的布魯克海文國(guó)家實(shí)驗(yàn)室和伊利諾伊州博靈布魯克的歐幾里得技術(shù)實(shí)驗(yàn)室。

使Lau感到最自豪的一件事是，他們的設(shè)計(jì)可以為任何TEM注入新的活力，包括執(zhí)行最新演示的25年歷史的部門。NIST的設(shè)計(jì)使各地實(shí)驗(yàn)室都可以使用顯微鏡捕獲明天材料中重要的快速移動(dòng)過程。

劉說：“使科學(xué)民主化是整個(gè)動(dòng)機(jī)。”