מיקרוסקופיה אלקטרון הפכה כלי חיוני עבור הדמיה של החומר בקנה מידה אטומי.בכמה עשורים, סדרה של מהפכנים טכניים דחף את ההחלטה של מיקרוסקופים אלקטרונים ממיקרומטרים בלבד למטה לרמה התת-נגסטרום, המאפשרים למדענים להתבונן ישירות בעמדות של אטומים בודדים בתוך מוצקות גבישיות.ההתקדמות הזו לא רק עמיקה את ההבנה הבסיסית של חומרים אלא גם להאיץ את ההתפתחות של טכנולוגיות הדור הבא, אלקטרוניקה, אשר למערכות הדמיה, אשר יש לנו את האלקטרוניקה, ופתרונות, אשר אטומיים, אשר למערכות הדמיה, אשר אטומיות, אשר למערכות טכנולוגיות מיקרוסקופיות, אשר אטומיות, אשר אטומיות, אשר למערכות הדמיה, אשר אטומיות, אשר אטומיות, אשר אטומיות, אשר אטומיות, אשר למערכות הדמיה, אשר , אשר למערכות הדמיה, אשר , אשר , אשר , אשר , אשר , אשר , אשר להעמיק את תחומי דרך למערכות הדמיה למערכות אלקטרו-לספקו של מערכות טכנולוגיות אלקטרו-טכנולוגיות טכנולוגיות מיקרוסקופיות, אשר החידושים האלה, אשר למערכות טכנולוגיות מיקרוסקופיות, אשר אטומיות, אשר למערכות טכנולוגיות למערכות טכנולוגיות מיקרוסקופיות, אשר אטומיות, אשר אטומיות,

רקע היסטורי של אלקטרון מיקרוסקופיה

המסע לראות מעבר למגבלה של אור החל בשנות העשרים, כאשר לואי דה ברוגלי הציע את טבע הגל של אלקטרונים. בשנת 1931, ארנסט רוססקה ומקס קנול בנו את מיקרוסקופ אלקטרוני השידור הראשון (TEM), השגת הגדלים של כ-400× - צנוע בסטנדרטים של היום, אך מהפכני באותה עת.

במהלך שנות ה-40 וה-50, שיפורים בעיצוב עדשות, טכנולוגיית ואקום, ומקורות אלקטרונים שיפרו בהדרגה את ההחלטה.המבוא של מיקרוסקופ אלקטרוני סריקה (SEM) בשנות ה-60 סיפקו פסגות משטח תלת מימדיים, בעוד הפיתוח של TEMs בטיפוח גבוה (עד 1 MeV) אפשר חדירה של דגימות עבות יותר, אך המטרה של עמודות הדמיה אטומית ישירות גבישים נשאר חמקמקה לאחר מכן, כי לא התרחש בסוף תיקון של תת-סטרום של רצף של רזולוציה של רצף של רזולוציה של רצף של רצף של רצף של רצף של עד סוף-ה.

קידום טכנולוגי חדש

מיקרוסקופית אלקטרונים מודרנית מוגדרת על ידי מספר טכנולוגיות טרנספורמטיביות, אשר יחד, אפשרו הדמיה אטומית-resolution שגרתית.האפקטיבי ביותר כוללים תיקון אבררציה, שיפור מקורות אלקטרונים, גלאי אלקטרונים ישירים, ומיקרוסקופי Cryo-electron.כל אחד התייחס לצוואר בקבוק ספציפי, והשילוב הסינרגיניסטי שלהם הביא כלים המסוגלים לפתור אטומים בודדים בשלושה ממדים.

תיקון

(הדגשה המפולגת) – חוסר היכולת של עדשות מגנטיות להתמקד באלקטרונים של צירים עד לנקודה אחת – היה במשך עשרות שנים המחסום העיקרי לפתרון אטומי. בשנות ה-90, Harald Rose וצוותו באוניברסיטת דרמנשטט פיתח את המיקרוסקופ המעשי הראשון של חנקן, אך באמצעות סדרה של עדשות אור מרובות-פול כדי לפצות על עיוותים המסחריים, הפך זמין סביב 2000 ובתוך כמה שנים של רזולוציה של 2EM בלבד, רק כדי לתקן את התמונה הראשונה, אך לא רק ל- 1 ל- 2.

אלקטרון מיקרוסקופיה

הגדלת מתח האצה של קרן האלקטרוני מ -200-300 kV הרגיל 1 MeV או יותר מציע שני יתרונות מרכזיים: עומק חדירה גדול יותר ואפקט יחסי מופחת של aberration chromatic. High-voltage אלקטרוני מיקרוסקופs (HVEMs) מאפשר למדענים לצלם דגימות עבות - עד כמה מיקרומטרים - ללא אובדן משמעותי של החלטה.זה הוא קריטי לחקר חלקי מתכת, ממשקים, ופגמים קבורים, בעוד שהם לא יכולים להיות מסוגלים לשנות את הפונקציות נמוכות יותר של HEM מסוימים, ללא מגבלות גבוהות של תאים נמוכים יותר.

אלקטרון Detectors

התקן המופקד מסורתי (CCD) מצלמות עבור מיקרוסקופ אלקטרונים סובלים מרגישות מוגבלת וקריאה איטית.הפיתוח של גלאי אלקטרונים ישירים - בהתבסס על טכנולוגיית חיישן Active-pixel פעיל - הפך את השדה. הגלאים האלה ללכוד אלקטרונים ישירות ללא ספקטור אלקטרונים ישירות (Foact) אשר סיפקו יחסים משמעותיים יותר ל-to-noise, מהירות קריאה מהירה יותר, ואת היכולת לזהות אלקטרו-אלקטרומגנטיים מהירים יותר (Fopics) באמצעות הדמיה ישירה באמצעות הדמיה של אלקטרו-אלקטרומגנטית (D) באמצעות הדמיה אלקטרונית).

Cryo-Electron Microscopy (Cryo-EM)

Cryo-EM מהפכה בביולוגיה מבנית.על ידי טיהור דגימות ביולוגיות בשכבה דקה של קרח vitreous, Cryo-EM משמר את ההידרומיות הטבעית שלהם והתאמה תוך שימתם לדמיית. בשילוב עם גלאיים ישירים חלקיקים מתאמים ומתוחכמים של סוללות (לא ספק ניתוח חלקיקים בודדים ו tomography), Cryo-EM יכול כעת לקבוע את שלושת הרקמות של חלבונים, ו-Dicialxicialxation) לא דורשות של תרופות נוגדות קרישי תיבות של דלקתיות.

ויזואליזציה של אטומי Crystal Structures

השילוב של תיקון אברריזציה, זיהוי ישיר, מקורות הדמיה יציבה גבוהה הפכו הדמיה אטומית של מבנים גבישיים יכולת שגרתית במעבדות רבות.ב העברת מיקרוסקופיה אלקטרונים, מצבי ההדמיה העיקריים עבור גבישים כוללים רזולוציה גבוהה TEM (HRTEM) - אשר מסתמכת על ניגודים - וסורק TEM (STEM) באמצעות גלאי כהה בהיר יותר (AD) במיוחד אטומים אטומיים חזקים של אלקטרו-אטומיים חזקים (D) הוא אטומים חזקים של אטומים אטומיים).

עבודה חדשה הרחיבה הדמיה של רזולוציה אטומית לשלושה ממדים.על ידי רכישת סדרה של תמונות בזווית הטיה שונה, טומוגרפיה אלקטרונית יכולה לשחזר את העמדות תלת-ממדיות של אטומים בודדים ב חלקיקים, כולל שדות זנים בקנה מידה אטומי.לדוגמה, מחקר 2021 ב FLT:0 מדע LT:1 השתמש ברזולוציה גרעינית כדי להשלים את המבנה 3D של פלטינה בגודל אטומי של חלקיקים אטומיים עם דיוק מכני.

יישומים במדעי החומרים

מיקרוסקופ אלקטרונים אטומית הפך אבן הפינה של מדעי החומרים המודרניים. חוקרים להשתמש בו באופן שגרתי כדי לזהות את המיקומים המדויקים של גבולות דגנים, ערימה של תקלות, ופירוק - פגמים השולטים כוח, דוקטריות, ו מוליכות חשמלית. ב ⁇ מבנית, ב- TEM-situ חשפו את המנגנונים של שינויים וסדקים ברמה האטומית.

אזור עשיר נוסף הוא המחקר של זרזים. בקטאליזה heterogeneous, מבנה פני השטח ואת הסדר של אתרים פעילים לקבוע מסלולי תגובה.שימוש aberration- מתוקן STEM, מדענים צילמו אטומי מתכת בודדים (single-matos) על תחמוצת חמצני תומך ותואם את הסביבה האטומית שלהם עם פעילות קטליטית.

In-Situ and Operando Microscopy

ההתקדמות האחרונה בדגימות ובתאים סביבתיים אפשרה ב-itu ו-Operndo אלקטרוני microscopy - חומרי הדמיה בתנאים ריאליים של טמפרטורה, לחץ גז והטיה אלקטרו-כימית.לדוגמה, החוקרים יכולים כעת לצפות בזרז מתפתח בזמן אמת כתגובה מתקדמת, התבוננות בגירסת האטומים, היווצרות של שלבים פעילים, ובסופו של דבר האטה של גז תאי TEM מאפשר לחץ על כמה אטמוספירה, בעוד שכמעט אטומית, מאפשרת תובנות אטומיות, תוך מתן תובנות דינמית של תאים.

השפעות על ננוטכנולוגיה וביולוגיה

ב nanoטכנולוגיה, הדמיה אטומית מדריכה את ייצור ה-up התחתון של ננו-חומרים.לדוגמה, סריקת מיקרוסקופ אלקטרונים שידור אלקטרוני עם ספקטרוסקופיה של אנרגיה אלקטרוני (STEM-EELS) יכולה למפות את ההרכב הכימי של דואט קוונטי, חלקיקים, או ננווט עם דיוק גרעיני. רמה זו של אפיון חיונית לתכונות אלקטרוניות אופטיות, בדומה לחומרים אטומיים כגון אטומיים אטומיים, או אטומיים אטומיים אטומיים אטומיים, או אטומיים אטומיים אטומיים אטומיים, השפעה אטומית, אטומית, אטומית, אטומית, אטומית, אטומית, אטומית, אטומית, אטומית, אטומית, אטומית, או אטומית, אטומית, אטומית, אטומית, או אטומית, אטומית, אטומית, אטומית, אטומית, אטומית, אטומית, אטומית, אטומית, אטומית, אטומית, אטומית, אטומית, אטומית, אטומית, אטומית, אטומית, או nano

בביולוגיה מבנית, Cryo-EM הפך את השיטה של בחירה עבור קולטנים גדולים, גמישים וקשה-ל-to-crystallize מורכבים.הטכניקה סיפקה מודלים אטומיים של ערוצי ion, G-חלבון-coupled קולטנים, וכובעים ויראליים (כולל SARS-Co-2 קפוצים במדינות מרובות). מבנים אלה מספקים בסיס לתכנון בסיסי והבנה ביולוגית של מערכות הדמיה כגון קרינת קריפטומטרית, כמו גם מרוקנות גולגולתית, כמו גם קרינת צלולה.

כיוונים עתידיים

למרות ההתקדמות המדהימה, מספר גבולות נותרו.מחקר מתמשך שואף לשפר את ההחלטה עוד יותר, להפחית את הנזק המושרה על ידי קרן, ומאפשר הדמיה אטומית של תהליכים דינמיים בזמן אמת.

החלטה ומעבר ל-Angstrom

TEMs הנוכחי תיקון יכול להשיג החלטה של בערך 0.4 ⁇ - מספיק כדי לפתור את רוב האג"ח האטומיים.עם זאת, יש אינטרס חזק להגיע 0.2 ⁇ או טוב יותר, אשר יאפשר הדמיה של אטומי אור (hydrogen, helium) ואת המדידה המדויקת של מרחקים אטומיים.

אטומים בזמן אמת

כיום, רוב ההדמיה של פתרון אטומי דורש זמני רכישה של שניות עד דקות, שבמהלכן הדגימה עלולה לסחף או להתפתח.פיתוח גלאי גלאי מהיר יותר - עם שיעורי קריאה של אלפי מסגרות לשנייה - בשילוב עם יציבות שלב משופרת ותיקון אברציה, צריך בסופו של דבר לאפשר הדמיה של תנועה אטומית.

Multimodal ו- Correlative Microscopy

מיקרוסקופיה אלקטרון לבדה מספקת מידע מבני וכימיקלי עם פתרון מרחבי עדין, אבל זה חסר מידע פונקציונלי כגון ספקטרום אופטי, תחומים מגנטיים, או מוליכות תרמית.שילוב של מספר רב של שיטות - למשל, שילוב TEM עם קטוולדונין, ב-Extituman spectroscopy, או טכניקות אדני לייזר מהיר - הוא מגמה מתפתחת של מיקרו-דמיון, אשר הופך מיקרו-מיקרו-סדרה, אז, כלומר, כלומר, כלומר, כלומר, תכונות אלקטרו-מיקרו-מיקרו-סדרה, אשר מאפשרות למיקרו-אופטיקה, ו-ת, כלומר, כלומר, כלומר, כלומר, כלומר, כלומר, תכונות אלקטרו-קומיות יותר, הן מיקרו-סוגיות, כלומר, כלומר, הן מיקרו-קומיות יותר, כדי להפוך למיקרו-קומיות, וטכנולוגיות של אלקטרו-סוגיות, כלומר, ו-סוגיות, כלומר, כלומר, כדי לאפשר ל-סוגיות של אלקטרו-סוגיות, כדי לאפשר למיקרו-קודמות של אלקטרו-קודמותרפיות של אלקטרו-קודמות של טכנולוגיות של אלקטרו-קודמות, כגון:

Machine Learning and Automated Analysis

כמויות הנתונים הענקיות שנוצרו על ידי מיקרוסקופים אלקטרונים מודרניים - לעתים קרובות terabytes לניסוי - דורש ניתוח אוטומטי וחכם. אלגוריתמי למידת מכונות עכשיו מאומנים לזהות ולסווג תכונות בקנה מידה אטומי, לבצע דה-היטמעה, ולבנות שלוש מיקומים אטומיים ממדיים מ-Tatseries. Deep Learning יכולים גם לחזות את תנאי ההדמיה האופטימליים (defocus, הגדרות של אימות) בזמן אמת, שיפור משמעותי באמצעות כלים מתקדמים, כגון אטומים, הם יעשו אטומיים, כדי להאיץ את תהליכי הדמיה מתקדמים יותר.

צמצום נזקי הדגימה

נזק קרינה נשאר הגבול הבסיסי עבור ניסויים מיקרוסקופיים אלקטרונים רבים, במיוחד עבור חומרים אורגניים וביולוגיים.אסטרטגיות להפחית את הנזק כוללים את השימוש במינונים אלקטרונים נמוכים (התקבלו על ידי גלאי יעילים), טמפרטורות מבוכות, ופיתוח של שכבות של לכידת מגן כגון גרף.בביולוגיה מבנית, תוכניות רכישה "ד-סימטרי" ו"אלגוריתמים במשקל חשיפה" כבר מיובע" ברזולוציה של דיפרגן לרזולוציה גבוהה.

אינטגרציה עם אטומי-Scale Simulations

בין תמונות רזולוציה אטומית לעתים קרובות דורש השוואה עם מודלים תיאורטיים.שילוב של תיאוריה פונקציונלית צפיפות (DFT) חישובים וסימולציות מולקולריות עם micrographs ניסיוני הופך להיות יותר ויותר חלקה. חבילות תוכנה עכשיו לאפשר סימולציה ישירה של STEM ו- TEM תמונות מתיאוםים אטומיים, המאפשר התאמה כמותית של ניגוד ניסיוני.סינרגיה זו היא בעלת ערך במיוחד להבנת תופעות מורכבות כגון אינטראקציה של מתכת עם פני השטח או התנהגויות של מוליכים למחצה.

מסקנה

מיקרוסקופיה אלקטרון נסעה למסע יוצא דופן מהתמונות הגסות הראשונות של מפלי מתכת ועד ליכולת של היום לדמיין אטומים בודדים בשלושה ממדים.התכנסות של תיקון אבררציה, גלאים ישירים, תפעול מתח גבוה, ושימור Cryogenic פתחה את תחום של פרטים מבניים שפעם היה המחוז הבלעדי של תיאוריה.