研究人员利用物理学将原子世界带入焦点

KaylaNguyen共同领导了一种新方法的开发，该方法使科学家能够在电子显微镜下观察单个原子以及它们如何组合在一起，而这种能力通常需要数百万美元的价格标签。

《科学》杂志描述了她为使高分辨率电子显微镜变得更便宜、更容易获得而不断努力的最新举措。Nguyen作为伊利诺伊大学PinshaneHuang实验室的博士后研究员共同领导了最近的工作。这一进展依赖于Nguyen在康奈尔大学攻读博士生时与他人共同发明的一种工具，她因此获得了莱梅尔森-麻省理工学院学生发明家奖。

Nguyen说：“在过去的一百年里，人们一直在制造越来越好的镜头来观察越来越小的物体，但要提供允许您进行如此大规模工作的基础设施却存在巨大障碍。”我的工作表明，你可以对非常小的原子进行成像，而无需花费昂贵的显微镜的前期成本。”

世界各地研究实验室的科学家依靠电子显微镜进行高分辨率成像。最好的显微镜可以揭示曾经看似小得不可思议的细节。不仅仅是单个原子，甚至是它们之间的空间。

即使材料结构发生微小变化也会对其性能产生重大影响。因此，电子显微镜是设计用于清洁能源、药物输送、计算技术和许多其他应用的新型材料的宝贵工具。

但目前，这种亚原子分辨率只能通过配备昂贵镜头的顶级显微镜才能实现。该计划的金额超过300万美元，这对许多大学来说是遥不可及的。在最近的《科学》论文中，Nguyen和她的同事描述了一种利用物理力量以更低的成本获得类似分辨率的不同方法。

电子显微镜使用电子束来探测材料的表面。当电子撞击材料时，它们会反弹并撞击探测器。材料偏转电子的方式以及这些电子在探测器上形成的图案反映了材料的结构。使用带有昂贵镜头的功能强大的显微镜，您可以使用非常聚焦的电子束。这将创建更高分辨率的图像，就像用细线笔绘图而不是用粗记号笔绘图一样。

但还有另一种方法可以提高分辨率——通过探测器本身。Nguyen说，无论您使用的是细线笔光束还是不太奇特的瞄准镜的粗标记光束，探测器收集的信息都是相同的。因此，如果您能找到一种方法从探测器中获取更多信息，即使您使用的是分辨率较低的显微镜，也可以提高图像质量。

她将标准探测器与低质量的手机照片进行了比较，其中明亮的阳光被冲淡，但前景中的人被遮挡了;它很容易饱和，因此无法准确捕捉场景中的所有信息。Nguyen作为研究生帮助开发的探测器称为EMPAD探测器，可以同时从数百万个电子中收集信息而不会饱和。

与改进的探测器配合使用，Nguyen和她的同事使用了一种称为叠层描记术的技术。该方法使用一系列数学方程，通过从略有不同的位置多次扫描同一样本来拼凑出高分辨率图像。叠层摄影通过计算消除图像中的扭曲，而不是使用镜头。

Nguyen和她的同事发现，将叠层成像技术与改进的探测器相结合，可以将普通质量的电子显微镜变成与最先进的机器分辨率相当的电子显微镜。在他们的新论文中，他们将该技术应用于扭曲的二维材料：两个之间有小间隙的平板。在示波器下可以看到纸张的结构和它们之间的间隙。

虽然其他人使用这种改进的技术和昂贵的显微镜取得了良好的效果，但“我们使用廉价的显微镜和强大的探测器来做到这一点，”Nguyen说。

该团队在现成的商用电子显微镜上测试了该方法，相比之下，专用显微镜的成本超过300万美元。该检测器已获得ThermoFisherScientific许可，售价约为40万美元。这使得更多的实验室能够使用它，从而扩大了先进成像技术的潜力。

当Nguyen在俄勒冈大学艺术与科学学院建立物理实验室时，她希望进一步采用这些技术并继续完善方法。她有兴趣深入研究新型先进成像技术，并继续证明您不需要最昂贵的技术来获取高质量数据并为科学做出有意义的贡献。

“获得最高质量的数据并不需要最高分辨率的设备，如果你了解物理原理并以不同的方式推动它，”Nguyen说。