建立一个显微镜,看到氦
射击小原子样品没有损坏的标本
有时候,“光”我们需要看的东西可以破坏它。灵感的一个新阶层的显微镜开发剑桥大学和纽卡斯尔大学在澳大利亚。
科学家们已经有了大量的成像方法。光学显微镜,通过镜头聚焦光,可以解决功能下降到0.3微米。扫描电子显微镜利用电子束达成决议约1纳米或更好。最高分辨率显微镜扫描隧道显微镜,在尖端略高于样品的表面和电子传递使用量子力学的“隧道”提示样本,生成当前和计算机图像。这些显微镜可以看到单个原子,一纳米的一小部分。
与现有的成像方法,新的扫描氦显微镜将不与能量轰击样品或电或化学相互作用。
氦扫描显微镜(闪)。(图片来源:剑桥大学)
但所有这些方法drawbacks-most重要,光和电子能破坏一个示例。某些材料,如冰和蜡,可以融化。生物样品,如皮肤标本,可以受到结构性破坏。电子破坏细菌生物膜和有机电子光电和晶体管。
这就是为什么的实验室安德鲁•贾丁剑桥大学实验物理教授,保罗Dastoor纽卡斯尔的物理学教授,正在开发一种扫描氦显微镜,或闪。连同他们的同事从两所大学和一些国际合作者,包括那些来自Bodil霍尔斯特教授的小组的祈祷,挪威,他们已经发明了一种新的显微镜图像使用中性氦原子代替光或电子。
电子显微镜还需要与黄金等导电层绝缘样品,可以掩盖下面的材料。光学显微镜使用的光子可以穿透下样品表面反射之前,表面结构的形象蒙上了阴影。氦避免了这些挑战。团队已经使用闪图片等敏感生物样品如污垢共存和绝缘体PPE织物。
氦原子比光子或电子携带更少的能量。他们也电中性和惰性,所以除了不打击样本与能量,他们不会与电或化学。
独特的仪器
这个新的显微镜是利用一个非常古老的技术:针孔。2000多年前,学者包括亚里士多德所谓的理解暗箱,小孔作为主要设备。研究人员目前正在使用“针孔”远小于尖针缩小射线的原子,创建的图像对象太小用肉眼去看。
以及使用针孔,剑桥实验室应用广泛的中性氦梁研究的基本结构和动力学表面很多年了。他们的目标是氦原子的宽梁,几毫米宽,在一个示例。分散的原子的角分布和速度变化使他们能够破译表面原子的位置和运动轨迹。但几十年来,人们曾希望直接与氦原子图像精细表面结构,包括一个欧洲主要的项目。
团队的自建探测器计数一百分之一进入氦原子而不是一百万分之一可能与商业设备。
氦梁通过油船和针孔样本被研究。(图片改编自分类通过中性氦显微镜的镜头在麦尔斯,助教美国南达科他州,埃德尔巴尔,M.G.et al。下许可CC 4.0)。
根据量子力学,物质的运动与波就像光一样,和氦原子比光学光子的波长较短,所以氦显微镜有一个更好的理论解析。“每个人都想直接全部潜力的技术,”山姆Lambrick说,博士生在怡和实验室。“人们试图建立一个复杂的机器,让你立即。“问题是,你不能专注氦梁使用光学透镜,因为原子不会通过,和你不能集中他们使用电场或磁场,因为原子不带电。
选择之一是建立一个原子镜子,一个曲面镜,精确地将原子。但建立一个有足够平滑在原子尺度上已经被证明是非常困难的。“这只是可笑的困难使其工作。“那么,怡和的实验室采用一种简单的途径。“最后,我们改到今天针孔方法。我们做这项工作。”
显微镜始于氦附加到喷嘴的高压缸。原子超音速扩展到一个真空,油船,锥和一个小洞。只有氦在喷嘴的直梁旅行使它通过回收船。然后光束穿过针孔一微米的一小部分。针孔后,原子的示例中,连接到一个可移动平台,在45度角。
当氦原子样品,他们会排斥在表面和电子散射,在一系列的方向。原子离开在一个特定范围的方向进行收集和统计的探测器,用于给单个像素的亮度。样品随后,扫描原子束表面,建立图像像素的像素。
最棘手的一个设备的构造,贾丁说,探测器。他们需要一个类型的质谱仪。质谱分离粒子根据其质量,通常在一个磁场通过弯曲路径和指导那些有一定质量,4相对原子质量的氦,柜台。
但商业设备检测只有一百万分之一的氦原子。第一阶段在一个质谱仪是电离原子,由“敲门”使用另一个电子,快速移动,电子。然而,电离氦是非常困难的。为氦剑桥探测器是特制的,所以它更有效地消除了电子。这个设备检测到一百分之一进入氦原子而不是一百万分之一。“自建”贾丁说,“这有点喜怒无常,但我们正在研究一个新的和更稳定的版本。”
微量原子
控制自己的自定义装备,剑桥团队在MATLAB写自定义代码®。“一些设备的使用提供了驱动程序和MATLAB一起工作得很好,”Lambrick说。代码告诉显微镜向左移动阶段5微米,或者记录下舞台的位置,或记录探测器的信号。MATLAB语言还提供了大量的灵活性。
“当你做研究,你不想被局限于别人的方式设计了一个程序来运行机器。”
安德鲁•贾丁剑桥大学
“当你做研究,”贾丁说,“你不想局限于别人的方式设计了一个程序运行的机器。”他说他们的软件定制是一个独特的研究方法。“这是一个不同的方法。你不困在这个循环10年前有人认为你想只做这些实验,因此你只能做这些实验。“允许他们的灵活性,结合多个测量,或使用相同的软件调试和正常操作的环境。
扫描氦显微镜图像的织物个人防护装备(PPE)。(图片来源:剑桥大学)
的灵活性还允许他们建立层的命令到长脚本:执行一系列的操作为一个像素,然后移动平台上执行这些操作下一个像素。Lambrick使用MATLAB的程序设计师做出最流行的脚本在实验室里任何人都可以通过一个用户界面。他可以创建一个窗口,然后拖动按钮和框到位并将它们连接到脚本。
该小组还使用MATLAB模拟机器和更好地理解它的设计和操作。Lambrick创建了一个射线跟踪框架,允许他们发送虚拟原子通过虚拟显微镜,然后改变显微镜或样品,重新运行模拟。为计算密集型方面,他可以用C编写代码并使用MATLAB呼吁这些墨西哥人功能的C代码。
文中已经帮助他们解释他们所看到的真正的显微镜。“许多结构可以很复杂,可以深入毛孔,“Lambrick说。“我们想要更好地理解这些深特性如何影响对比。”
在一个实验中,他们观察样品的一系列精密加工的战壕。随着战壕变得更深,他们掉进了“阴影”,看起来darker-until深宽比,再次成为光。在这一点上,他们都看起来相同的浅灰色阴影。
“当我们第一次看到的图像,它没有意义,”Lambrick说。然后他们跑一个射线跟踪模型。他们发现在深沟,氦原子反弹到处转悠,最后很多人逃向探测器,创建亮度。团队可以看看多孔支架,生物医学研究人员使用生长组织样本和知道他们在看什么。似乎是亮点实际上是深洞。
该小组还利用模拟提高显微镜的设计。他们可以吸引部分CAD程序,将文件导入MATLAB和测试它们。如果一切按计划工作,他们会将文件发送到车间。否则,他们会改进和重复。
目前一个升级他们探索的替换与所谓的针孔波带片。而不是一个洞,一系列同心环形狭缝形成的核心模式。稍微缝衍射原子,所以他们的方法一个焦点,而研究人员目标的样本。区域板块可以提高分辨率可能从1微米到10纳米,提高100倍。团队也建立一个版本的闪和四个探测器而不是一个,使3 d成像。
App Builder闪的控制软件。(图片来源:剑桥大学)
到目前为止,他们已经完成了三个显微镜(两个实验室,一个是与纽卡斯尔的合作者)。实验室的祈祷,挪威;海得拉巴,印度;和波特兰,俄勒冈州建立了类似的机器。怡和希望商业化设备为更广泛地使用。一些研究人员已经在与他们的发现。纽卡斯尔队看着叶子表面的微小结构,鲨鱼的皮肤通知分类法。
怡和更多的发现会说,但是他们仍然有很多学习工具建设。“有很多有趣的科学和工程,你可以做这个。”
阅读其他故事
Puoi传递selezionare联合国sito web dal seguente elenco:
欧罗巴