美國國家標準技術(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期科學(xué)力量)，以便它還可以制作高質(zhì)量的超級電影。 -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)用于世界各地的實驗室，從而使您能夠洞悉從顯微鏡機器到下一代計算機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)儀器評論》(Review of Scientific Instruments)雜志上與同事們一起報告了這種改進設(shè)計的首次概念驗證操作。該團隊將改造設(shè)計為現(xiàn)有儀器的經(jīng)濟高效的附加組件。她說：“這預(yù)計將是新型電子顯微鏡成本的一小部分。”

電子顯微鏡是一項已有近100年歷史的發(fā)明，在許多科學(xué)實驗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)，它可以通過目標樣品發(fā)射電子以產(chǎn)生圖像?，F(xiàn)代版本的顯微鏡可以將物體放大多達五千萬倍。電子顯微鏡有助于確定病毒的結(jié)構(gòu)，測試計算機電路的運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)注時間固定的事物。它們不善于觀察移動的目標。”

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，但是實驗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，而總投資可以花費數(shù)百萬美元 實驗室還需要內(nèi)部激光物理學(xué)專業(yè)知識來幫助建立和操作這種系統(tǒng)。

劉說：“坦率地說，并不是每個人都有這種能力。”

相反，通過使用相對簡單的“ 光束斬波器” ，改造可使任何年齡的TEM都能在皮秒級(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)的方式運動。” “如果我們使用針孔相機進行記錄，它看起來會模糊。但是我們希望看到個別的汽車。我可以在針孔相機前面放置一個快門，以使快門速度與車輪的運動相匹配。我們可以只要指定的汽車到達頂部，百葉窗就會打開。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，該波使行進的電子表現(xiàn)出“像軟木塞在水波的表面上上下擺動”的行為。

騎著這個波，電子在接近孔徑時遵循波狀路徑。除了與孔徑完全對準的電子外，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械(如微機電系統(tǒng)(MEMS)和納米機電系統(tǒng)(NEMS))中來回運動的原子級細節(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，并探測下一代計算機處理器中的電流運動。

在一個演示中，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：“我們對其進行了設(shè)計，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，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，它可以研究分子級存儲設(shè)備中迅速變化的磁場的行為，這些設(shè)備有望存儲比以前更多的信息。

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

使Lau感到最自豪的一件事是，他們的設(shè)計可以為任何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)計使各地實驗室都可以使用顯微鏡捕獲明天材料中重要的快速移動過程。

劉說：“使科學(xué)民主化是整個動機。”