Elektronentomographie mit 3487 Bildern in 3,5 Sekunden: Die Hochgeschwindigkeits-Elektronentomographie setzt neue Maßstäbe für 3-D-Bilder der Nanowelt | 2020

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Anonim

Die Elektronentomographie ist mit der Computertomographie verwandt, die in der Forschung und in klinischen Studien unverzichtbar geworden ist. Elektronentomogramme können aus viel kleineren Volumina als mit röntgenbasierten Techniken erhalten werden. Die dreidimensionale räumliche Auflösung der Elektronentomographie ist die höchste mit der heutigen Technologie erreichbare. Die Methode eignet sich in einzigartiger Weise zur Untersuchung von Viren und Bakterien zur Erleichterung der Entwicklung von Medikamenten oder zur Abbildung der Strukturen neuartiger Nanomaterialien für Anwendungen von der Nanoelektronik bis zur Energietechnologie.

"Die Fähigkeit, die Bildaufnahme zu beschleunigen und die Strahlendosis zu reduzieren, eröffnet durch die Elektronentomographie neue Horizonte, insbesondere in den Biowissenschaften und der Erforschung weicher Materie", sagt Prof. Rafal Dunin-Borkowski. Bei dieser Technik wird ein Transmissionselektronenmikroskop verwendet, um Bilder eines submikrometergroßen Bereichs aus verschiedenen Winkeln in schneller Folge aufzunehmen.

"Die einzelnen Bilder zeigen keine Querschnitte der Probe. Stattdessen werden die Informationen aus verschiedenen Tiefen - ähnlich wie bei einem Röntgenbild - überlagert und auf eine Ebene projiziert", erklärt der Direktor des Ernst Ruska-Centers , der auch Direktor des Instituts für Mikrostrukturforschung (PGI-5) im Jülicher Peter-Grünberg-Institut ist. Aus diesem Grund sind für einen Computer Algorithmen erforderlich, um eine dreidimensionale Rekonstruktion des Objekts aus der Bildserie zu berechnen.

Die erreichbare Auflösung ist durch die zerstörerische Wirkung des Elektronenstrahls auf die Probe begrenzt. Insbesondere weiche biologische Proben tolerieren nur eine begrenzte Anzahl von Bildern. Ihre empfindlichen Strukturen, beispielsweise die von Proteinen, werden durch energiereiche Elektronen schnell zerstört. Um die Elektronendosis zu reduzieren, haben die Forscher des Ernst Ruska-Zentrums ihr Elektronenmikroskop mit einem neuartigen Detektor ausgestattet. Diese Einzelelektronendetektionskamera registriert eingehende Elektronen direkt, ohne sie in Photonen, d. H. Licht, umwandeln zu müssen - die heute übliche Praxis.

"Die neueste Generation von Detektorchips weist eine sehr hohe Empfindlichkeit auf, so dass bei gleicher Bildqualität eine zwei- bis dreimal niedrigere Elektronenstrahldosis ausreicht", erklärt Dr. Vadim Migunov vom Ernst Ruska-Center und dem Jülicher Peter Grünberg Institut . Seine Kollegen vom Zentralinstitut für Ingenieurwissenschaften, Elektronik und Analytik (ZEA-2) in Jülich halfen bei der Entwicklung der Elektronik im Chip, die für eine schnelle Datenauslesegeschwindigkeit und damit für extrem schnelle Aufzeichnungsraten sorgt.

Erste Tests mit Nanoröhren und Katalysatoren Um die verbesserte Technik zu testen, untersuchte Vadim Migunov zusammen mit seinen Kollegen vom Ernst Ruska-Center eine anorganische Lanthanoiden-Nanoröhre mit dem neuen Sensor. Derartige Strukturen sind derzeit von Interesse, da sie zur Stromerzeugung aus Abwärme oder als neuartige Lichtquellen und Katalysatoren geeignet sein können. Mit einer Aufnahmerate von ca. 1000 Bildern pro Sekunde kann die Elektronentomographie nun zur nanoskaligen Beobachtung schneller Prozesse wie chemischer Reaktionen mit Katalysatoren, Kristallwachstumsprozessen oder Phasenübergängen verwendet werden ", erklärt Vadim Migunov.

Studien mit einer besseren zeitlichen und räumlichen Auflösung könnten Aufschluss darüber geben, warum die Funktionalität von Nanokatalysatoren mit der Zeit verloren geht. Katalysator-Nanopartikel können zur Erzeugung von Wasserstoff und zur Abscheidung schädlicher Treibhausgase eingesetzt werden. Ihre Effizienz hängt in erster Linie davon ab, wie Atome auf den Oberflächen angeordnet sind, auf denen die chemischen Reaktionen stattfinden.

Die neue Technik hat zusätzliche Vorteile. Nur wenige Sekunden Rechenzeit sind erforderlich, um die dreidimensionale Struktur einer Probe auf einem Computer aufzuzeichnen und zu rekonstruieren. Die dafür benötigte Zeit ist sehr kurz und die Wissenschaftler können Experimente nicht nur in 3D, sondern nahezu "live" verfolgen.