Tomografi elektron empat dimensi dibuat • Yuri Yerin • Berita sains mengenai "Unsur" • Fizik, Nanoteknologi

Tomografi elektron empat dimensi dibuat

Rajah. 1. Prinsip tomografi elektron. Gambar dari "Tomography Electron: Kaedah untuk Visualisasi Tiga Dimensi Struktur dalam Sel"

Tomography elektron membolehkan visualisasi struktur tiga dimensi pelbagai mikro dan nano-objek, seperti sel unit bahan kristal, sel biologi atau virus. Para saintis dari California Institute of Technology telah mencipta tomografi elektronik 4D, setelah berjaya menggabungkan dimensi keempat, masa, menjadi tomografi elektronik konvensional. Dengan bantuannya, anda boleh mengesan ciri-ciri spatial-temporal struktur objek yang sedang dikaji dengan resolusi nanometer-femtosecond.

Seringkali, apabila mengkaji sesuatu objek, adalah wajar bukan sahaja untuk mendapatkan imej strukturnya di peringkat atom, tetapi juga untuk mengesan skala ini bagaimana struktur dalaman objek berubah dengan masa. Peralatan teknikal makmal saintifik memungkinkan untuk mengatasi tugas pertama dengan mudah. "Senjata" penyelidik utama – mikroskop elektron sinar-X dan transmisi. Objek yang diteliti disinari dengan sinar-x atau elektron sama ada untuk mendapatkan pada skrin sebaliknya dan imej difraksi yang jelas.Selepas itu, dengan menggunakan kaedah matematik khas, nilai-nilai intensiti sinaran bertaburan di skrin diproses dan struktur dalaman sampel divisualisasikan dari sisi dari mana ia disinari. Jika anda memutarkan objek atau asas (substrat) yang terletak di hadapan mikroskop elektron X-ray atau transmisi, anda boleh mendapatkan imej tiga dimensi (Rajah 1); Lihat: Imej tiga dimensi kromosom manusia diperoleh (Elemen, 31 Januari 2009).

Elektron tomografi berasal dari 60-an akhir abad yang lalu dan untuk masa yang lama disebabkan oleh perlahan komputer, mengira nilai-nilai intensiti, adalah proses yang sangat sukar. Dengan kemunculan komputer yang berkuasa dan berkelajuan tinggi, ia menjadi mungkin untuk hampir membina semula secara langsung daripada data difraksi pandangan tiga dimensi sampel yang sedang disiasat (Rajah 2).

Untuk menyelesaikan tugas kedua – iaitu untuk memasukkan dimensi keempat (waktu) dalam tomografi elektronik dan untuk mendapatkan bukan hanya imej statik badan tiga dimensi dalam skala mikro dan nano, tetapi juga dinamik mereka – untuk masa yang lama ia tidak berjaya. Pertama, untuk mendapatkan video, anda perlu memproses jumlah data yang besar.

Katakan bahawa pada suatu masa t0 terdapat pengumpulan beberapa imej dua dimensi objek – unjurannya pada skrin untuk melihat sudut yang berbeza. Kemudian imej 3D dibentuk daripada mereka. Selepas ini, prosedur diulangi untuk masa depan t0 + δt. Kemudian untuk t0 + 2δt dan sebagainya, sehingga bilangan imej tiga dimensi yang dikumpulkan telah terkumpul, yang kemudian anda boleh memasang "filem" dengan menggunakan kesan stroboskopik. Oleh itu, untuk mendapatkan video memerlukan sumber pengiraan yang banyak.

Kedua, jika kita bercakap mengenai dinamika struktur dalaman sesuatu objek pada skala atom atau molekul, maka selang waktu δt mesti sangat kecil, pada tahap nano- dan picosekonds, atau bahkan kurang.

Rajah. 2 Evolusi tomografi tiga dimensi. Gambar dari "Tomography Electron: Kaedah untuk Visualisasi Tiga Dimensi Struktur dalam Sel"

Pasukan saintis dari Institut Teknologi California di Amerika Syarikat berjaya mengatasi masalah ini dan mengintegrasikan dimensi keempat menjadi tomografi elektronik. Artikelnya diterbitkan dalam jurnal Sainsjadi mereka dipanggil – Tomography Electron Tomography. Prinsip tomografi 4D elektronik agak mudah. Denyut laser digunakan untuk objek yang sedang diteliti pada substrat yang telus kepada elektron.Tujuan utamanya ialah untuk mewujudkan perubahan struktur dalam objek untuk membetulkannya kemudian. Pada dasarnya, suhu bukan sifar dan sebagainya membuat badan mana-mana pada skala beberapa nanometer tidak resah. Walau bagaimanapun, di bawah tindakan laser, perubahan dalam struktur adalah sekurang-kurangnya suatu urutan magnitud yang lebih kuat. Dan ini bermakna bahawa menggunakan denyut nadi laser, adalah mungkin untuk menunjukkan dengan lebih berkesan keupayaan tomografi 4D elektron.

Selepas itu, dengan beberapa kelewatan dikawal – dari beberapa femtoseconds (femto = 10-15) sehingga beberapa nanodetik berkaitan dengan nadi laser – satu aliran elektron dipicu. Menyebarkan sampel, elektron membuat imej dua dimensi difraksi pada skrin. Kemudian, dengan selang masa tertentu, yang boleh berbeza dari femtoseconds hingga nanosecond (bergantung pada seberapa cepat struktur perubahan objek), substrat berputar dengan sudut 1 °. Selepas penyinaran dengan elektron, imej dua dimensi objek baru diperolehi. Seluruh proses diulangi untuk selang sudut dari -58 ° hingga + 58 ° (bersamaan dengan kejadian serentak dari rasuk elektron pada substrat). Hasil daripada memproses unjuran yang diperoleh, imej tiga dimensi sampel yang dipelajari dikira.

Rajah. 3 A. Prinsip pengoperasian tomografi 4D elektronik. Nadi haba dari laser pada masa t0 (asal) mencipta perubahan struktur dalam sampel. Selepas itu, dengan beberapa kelewatan (di tα) objek disiradir dengan aliran elektron. Sampel di atas pada substrat diputar pada beberapa sudut α berkenaan dengan rasuk elektron. Sebagai hasil daripada laluan elektron melalui sampel, corak difraksi dibentuk pada skrin, dari mana imej dua dimensi kemudiannya diperolehi. B. Untuk tomografi empat dimensi, satu siri imej dua dimensi (unjuran) objek yang diperolehi untuk sudut yang berbeza kecenderungan (melihat sudut) substrat dan skala masa yang berbeza digunakan.sx selang antara unjuran dan siri unjuran. Sudut tontonan berbeza-beza dari -58 ° hingga + 58 ° dalam kenaikan 1 °. MasasSelang ini berkisar dari femtoseconds hingga nanodetik. Untuk membuat video (tomografi 4D), kira-kira 4000 imej 2D sampel digunakan. Gambar dari artikel dibincangkan diSains

Setelah masa tertentu (dari urutan satu femtosecond hingga nanosecond) selepas satu set unjuran untuk gambar 3D pertama, penulis sekali lagi melakukan prosedur yang dijelaskan, setelah memperoleh imej tiga dimensi berikut objek tersebut.Prosedur ini diulang lagi, sekali lagi, dan sebagainya. Sebagai hasilnya, kami menerima satu set imej tiga dimensi, yang kemudiannya dipasang dalam bentuk sebuah filem yang menunjukkan bagaimana objek berubah di bawah tindakan kejutan terma dari laser. Sebenarnya, ini adalah tomografi elektronik 4D.

Untuk menunjukkan amalan pemasangan mereka dalam amalan, penulis artikel itu cuba mengkaji tingkah laku yang tidak bergerak dari nanotube karbon berbilang berpilin yang dipintal ke gelang dengan bantuannya. Ketebalan purata nanotube adalah kira-kira 50 nm, panjang – kira-kira 4.4 mikron.

Dalam ara. 3 menunjukkan keputusan tomografi – imej gelang karbon pada titik yang berbeza dalam masa yang telah berlalu selepas pukulan laser pada nanotube. Tenaga elektron dalam proses tomografi ialah 200 keV (panjang gelombang 2.5 picometer).

Tetapi pencapaian utama yang dicontohi oleh penulis adalah video yang merupakan hasil pemasangan semua imej tiga dimensi terkumpul nanotube karbon. Video pertama menunjukkan secara berkala 5 tomograms 4D yang menunjukkan perubahan dalam jenis nanotube dari -10 ns (iaitu 10 nanodetik sebelum menggunakan haba pada nanotube) hingga 85 ns untuk sudut tontonan yang berbeza. Warna kelabu (pada tomogram empat dimensi yang betul) sepadan dengan bahagian-bahagian gelang, yang dalam perjalanan gerakan mereka kembali kepada bekas mereka (seperti yang ada di hadapan mereka sebelum gerak panas). Video kedua menunjukkan "kehidupan" kemudian nanotube, merangkumi dari 1950 hingga 2230 ns (juga untuk sudut tontonan yang berbeza). Secara keseluruhannya, saintis menggunakan kira-kira 4,000 gambar nanotube 2D untuk mencipta semua tomogram 4D. (Untuk kemudahan persepsi, kelajuan video yang menunjukkan sifat perubahan struktur dalam nanotube sangat perlahan.)

Rajah. 4 Bingkai individu dari tomogram 4D elektron daripada nanotube karbon untuk sudut tontonan yang berbeza dan pada selang masa yang berlainan (5, 15, 30, dan 75 nanodetik). Masa dikira dari saat bekalan haba ke nanotube. Anak panah menunjukkan arah pergerakan bahagian individu objek yang sedang dikaji. Warna hitam Sesetengah kawasan nanotube bermakna bahawa mereka kembali ke kedudukan asal mereka sebelum kejutan terma (di t = 0). Masukkan pada setiap bingkai sesuai dengan "mentah" imej nanotube pada sudut sifar kecenderungan substrat (rasuk elektron jatuh di atasnya secara tegas). Imej dari artikel dalam perbincanganSains

Perlu diperhatikan bahawa proses tomografi elektron 4D tidak memperkenalkan perubahan yang tak terduga dan signifikan dalam struktur nanotube. Dos purata yang diperlukan untuk mendapatkan gambar 2D tunggal sampel tidak melebihi 15 elektron per nanometer persegi dengan jurang antara denyut susunan nanosecond. Dalam selang waktu femtosecond, nilai ini menurun dengan beberapa pesanan magnitud. Jumlah dos yang diterima nanotube semasa keseluruhan tomografi empat dimensi adalah dua pesanan magnitud kurang daripada nilai di mana ubah bentuk tidak dapat dipulihkan bermula.

Artikel itu diterbitkan dalam Bahasa Malaysia Sains 25 Jun. Selepas hampir sebulan dalam majalah itu Nanoletters Secara praktikal komposisi saintis yang sama telah menerbitkan satu lagi karya mengenai mikroskopi elektron empat dimensi: Gerak Nonklasik Gerak Mengesan Mikroskopi. Kali ini, para saintis melakukan tomografi 4D titanium nikel NiTi, yang mempunyai kesan ingatan bentuk yang dipanggil. Semua ini bermakna bahawa tomografi 4D elektronik berjanji untuk mencari aplikasi yang luas dalam pelbagai bidang sains (sains bahan, biologi, dan sebagainya)

Sumber: Oh-Hoon Kwon, Ahmed H. Zewail. Tomography Elektronik 4D // Sains 328, 1668 (25 Jun 2010).

Yuri Yerin


Like this post? Please share to your friends:
Tinggalkan Balasan

;-) :| :x :twisted: :smile: :shock: :sad: :roll: :razz: :oops: :o :mrgreen: :lol: :idea: :grin: :evil: :cry: :cool: :arrow: :???: :?: :!: