電子顯微鏡新算法讓解析度破紀錄,放大 1 億倍直接看見原子振動

作者 | 發布日期 2021 年 05 月 24 日 17:45 | 分類 奈米 , 尖端科技 Telegram share ! follow us in feedly


拍照拍到接近物理極限是什麼感覺?康乃爾大學工程師團隊最近開發了一種新技術,強大到將當今最先進電子顯微鏡的解析度再提高 2 倍,可在三個維度下直接觀察單個原子並得到清晰圖像,唯一模糊的原因僅來自原子自身運動。該技術對於成像半導體、催化劑等材料連接邊界處的原子將特別有用。

現在已經有越來越多智慧型手機或高級望遠鏡都配備高解析度相機,可以放大到甚至讓你看見月球表面,然而這些都無法與康乃爾大學工程學教授 David Muller 團隊開發的電子顯微鏡像素陣列偵測器(electron microscope pixel array detector,EMPAD)相提並論。

2018 年時,團隊製造了這款高性能顯微鏡 EMPAD 並結合 ptychography 算法,直接讓電子顯微鏡的解析度提高 3 倍拿下金氏世界紀錄,可測量至 0.039 奈米。當時研究人員之一 Sol Gruner 開玩笑說,他總以為要在 5 分鐘內吃掉 40 個漢堡、或是靠一隻腳連續站立幾天才能進入金氏世界紀錄,沒想到是藉由看到幾個原子拿到入場門票。

現在,該團隊結合一種更複雜的 3D 重建算法並掃描 PrScO3(praseodymium orthoscandate)晶體,將電子顯微鏡解析度世界紀錄再提高 2 倍,精度高到可以看見單個原子和分子中的化學鍵,唯一造成模糊的原因只剩下原子晶格自身熱振動。

過去任何嘗試對單個原子進行成像的實驗多半拿出模糊圖像,就像戴著一副不合度數的眼鏡看世界,但現在團隊技術已然精確到可在三個維度上定位單個原子,還能一次發現異常結構中的雜質原子並對它們的振動成像,

此外,當年團隊只能成像僅幾個原子厚的極薄材料樣品,但新技術可成像更厚材料樣品(雖然再厚下去的話還是會失敗,因電子以無解的方式散射),除了對半導體、催化劑等材料連接邊界處的原子成像有所幫助外,也能改善當今醫學成像,拍出更清晰的較厚生物組織、大腦突觸連接等。

雖然要得到這種高精度圖像的過程依然相當耗時,但可以使用功能更強大的超級電腦並結合新演算法來提高效率。

新論文發表在《科學》(Science)期刊。

(首圖來源:康乃爾大學