Φυσική: Οι επιστήμονες τραβούν τις εικόνες ατόμων με την υψηλότερη ανάλυση ποτέ

Οι ερευνητές έσπασαν το ρεκόρ για την εικόνα υψηλότερης ανάλυσης που έχει ληφθεί ποτέ για μεμονωμένα άτομα, δημιουργώντας ένα στιγμιότυπο που “μεγεθύνεται” περίπου 100 εκατομμύρια φορές.

Αυτές οι εικόνες είναι συντονισμένες, στην πραγματικότητα, ότι ο υπολειπόμενος θόρυβος στη λήψη είναι μόνο προϊόν της θερμικής δόνησης των ίδιων των ατόμων.

Η ανακάλυψη για την ομάδα του Πανεπιστημίου Cornell βασίζεται στο προηγούμενο ρεκόρ τους, που καταγράφηκε το 2018, το οποίο χρησιμοποίησε έναν νέο ανιχνευτή για να τριπλασιάσει την ανάλυση ενός μικροσκοπίου ηλεκτρονίων.

Ωστόσο, αυτή η προηγούμενη εγκατάσταση ήταν περιορισμένη στο ότι μπορούσε να απεικονίσει μόνο πολύ λεπτά δείγματα – μόνο λεπτά δείγματα ατόμων.

Ωστόσο, η εισαγωγή ενός νέου ανιχνευτή μήτρας pixel – ο οποίος περιλαμβάνει πιο προηγμένους αλγόριθμους 3D ανακατασκευής – επέτρεψε έναν παράγοντα βελτίωσης.

Η ομάδα εξηγεί ότι αυτό οδηγεί σε μια εικόνα που έχει ανάλυση ενός πικόμετρου ή ένα τρισεκατομμυριοστό του μέτρου.

Οι ερευνητές έσπασαν το ρεκόρ για την εικόνα υψηλότερης ανάλυσης που έχει ληφθεί ποτέ για μεμονωμένα άτομα, δημιουργώντας ένα στιγμιότυπο που «μεγεθύνεται» περίπου 100 εκατομμύρια φορές, όπως φαίνεται στην εικόνα.

Χρησιμοποιώντας αυτές τις εικόνες

Σύμφωνα με την ομάδα, η νέα τεχνολογία «ηλεκτρονικής εκτύπωσης» θα μπορούσε να βρει διαφορετικές εφαρμογές.

Για παράδειγμα, θα μπορούσε να επιτρέψει στους ερευνητές να προσδιορίσουν αυτά τα άτομα σε υλικά που επισκιάζονται από άλλες μεθόδους απεικόνισης σε τρεις διαστάσεις – ή να εντοπίσουν ατομικές ακαθαρσίες για πιο προσεκτική ανάλυση.

Η τελευταία εφαρμογή θα μπορούσε να έχει ιδιαίτερο ενδιαφέρον για την απεικόνιση ημιαγωγών, καταλυτών και κβαντικών υλικών.

Επιπλέον, η τεχνολογία μπορεί επίσης να χρησιμοποιηθεί για την απεικόνιση παχύτερων βιολογικών κυττάρων ή ιστών – και ακόμη και για τη σάρωση συναπτικών συνδέσεων στον εγκέφαλο, προσθέτουν οι ερευνητές.

READ  Προειδοποίηση από τον επιστήμονα που ανακάλυψε τον Έμπολα: "Η ανθρωπότητα αντιμετωπίζει έναν άγνωστο αριθμό νέων και δυνητικά θανατηφόρων ιών"

“Δεν δημιουργεί απλώς ένα νέο ρεκόρ”, δήλωσε ο συγγραφέας και μηχανικός David Mueller του Πανεπιστημίου Cornell στη Νέα Υόρκη.

Έφτασε σε ένα σύστημα που θα ήταν πραγματικά το τελικό τέλος της λύσης. Βασικά, μπορούμε τώρα να καταλάβουμε πού βρίσκονται τα άτομα με πολύ εύκολο τρόπο.

Αυτό ανοίγει πολλές νέες δυνατότητες κλιμάκωσης για τα πράγματα που θέλουμε να κάνουμε για πολύ καιρό.

“Επιλύει επίσης ένα μακροχρόνιο πρόβλημα – αναίρεση της πολλαπλής διασποράς της δέσμης στο δείγμα – που μας εμπόδισε να το κάνουμε στο παρελθόν.”

Η μέθοδος απεικόνισης που χρησιμοποίησε η ομάδα περιλαμβάνει μια τεχνική που ονομάζεται ptychography, στην οποία μια δέσμη – αποτελούμενη, σε αυτήν την περίπτωση, από ηλεκτρόνια – πυροδοτείται επανειλημμένα μέσω ενός ενδιαφέροντος αντικειμένου, αν και από μια ελαφρώς διαφορετική τοποθεσία κάθε φορά.

Συγκρίνοντας τα διάφορα αλληλεπικαλυπτόμενα μοτίβα που σχηματίζει η διάσπαρτη δέσμη, ο αλγόριθμος μπορεί να ανακατασκευάσει το αντικείμενο-στόχο με μεγάλη ακρίβεια.

«Κυνηγούμε τα πλακάτα μοτίβα που μοιάζουν πολύ με τα μοτίβα δείκτη λέιζερ στα οποία οι γάτες γοητεύονται εξίσου» εξήγησε ο καθηγητής Muller.

Βλέποντας πώς άλλαξε το μοτίβο, μπορούμε να υπολογίσουμε το σχήμα του αντικειμένου που προκάλεσε το μοτίβο.

Με αυτούς τους νέους αλγόριθμους, είμαστε πλέον σε θέση να διορθώσουμε το θόλωμα του μικροσκοπίου μας στο σημείο ότι ο μεγαλύτερος παράγοντας καμουφλάζ μας είναι το γεγονός ότι τα ίδια τα άτομα ταλαντεύονται.

Εξήγησε ότι αυτή η κίνηση είναι «αυτό που συμβαίνει στα άτομα σε μια πεπερασμένη θερμοκρασία».

Όταν μιλάμε για θερμοκρασία, αυτό που πραγματικά μετράμε είναι η μέση ταχύτητα του πόσο δονείται τα άτομα.

Η μέθοδος απεικόνισης που χρησιμοποίησε η ομάδα περιλαμβάνει μια τεχνική που ονομάζεται ptychography, στην οποία μια δέσμη - αποτελούμενη, σε αυτήν την περίπτωση, από ηλεκτρόνια - πυροδοτείται επανειλημμένα μέσω ενός ενδιαφέροντος αντικειμένου, αν και από μια ελαφρώς διαφορετική τοποθεσία κάθε φορά.  Συγκρίνοντας τα διαφορετικά και αλληλεπικαλυπτόμενα μοτίβα που αποτελούν τη διάσπαρτη δέσμη, ο αλγόριθμος μπορεί στη συνέχεια να ανακατασκευάσει το αντικείμενο προορισμού με μεγάλη ακρίβεια.

READ  Ένα ρωσικό φορτηγό πλοίο ελλιμενίστηκε στον Διεθνή Διαστημικό Σταθμό

Η μέθοδος απεικόνισης που χρησιμοποίησε η ομάδα περιλαμβάνει μια τεχνική που ονομάζεται ptychography, στην οποία μια δέσμη – αποτελούμενη, σε αυτήν την περίπτωση, από ηλεκτρόνια – πυροδοτείται επανειλημμένα μέσω ενός ενδιαφέροντος αντικειμένου, αν και από μια ελαφρώς διαφορετική τοποθεσία κάθε φορά. Συγκρίνοντας τα διαφορετικά και αλληλεπικαλυπτόμενα μοτίβα που αποτελούν τη διάσπαρτη δέσμη, ο αλγόριθμος μπορεί στη συνέχεια να ανακατασκευάσει το αντικείμενο προορισμού με μεγάλη ακρίβεια.

Ο καθηγητής Mueller πρόσθεσε: “Θέλουμε να το εφαρμόσουμε σε ό, τι κάνουμε.”

Μέχρι στιγμής, όλοι έχουμε φορέσει πραγματικά κακά γυαλιά. Και τώρα έχουμε πραγματικά ένα πολύ καλό ζευγάρι.

“Γιατί δεν θέλετε να βγάζετε τα παλιά σας γυαλιά, να φοράτε καινούργια και να τα χρησιμοποιείτε συνεχώς;”

Προς το παρόν, η ομάδα έχει αναγνωρίσει ότι η μέθοδος απεικόνισης είναι χρονοβόρα και υπολογιστικά απαιτητική – αλλά οι εξελίξεις στους υπολογιστές και τον ανιχνευτή στο μέλλον έχουν τη δυνατότητα να επιταχύνουν τη διαδικασία.

Τα πλήρη αποτελέσματα της μελέτης έχουν δημοσιευτεί στο περιοδικό Επιστήμη.

Σπρώξτε την εγγραφή ακόμη πιο μακριά

Εικόνα: Μια ηλεκτρονική σχηματική εικόνα των ατόμων που έχουν ληφθεί από τους ερευνητές

Εικόνα: Μια ηλεκτρονική σχηματική εικόνα των ατόμων που έχουν ληφθεί από τους ερευνητές

Σύμφωνα με τους ερευνητές, είναι πιθανό να ξεπεράσουν το ρεκόρ τους ξανά στο εγγύς μέλλον.

Αυτό μπορεί να περιλαμβάνει τη χρήση ενός στοχευόμενου υλικού που αποτελείται από βαρύτερα άτομα, το οποίο θα δονείται λιγότερο, επιτρέποντας λιγότερες θολές εικόνες.

Εναλλακτικά, το ίδιο αποτέλεσμα μπορεί επίσης να επιτευχθεί με ψύξη του τρέχοντος δείγματος, μειώνοντας την ατομική του κίνηση.

Ωστόσο, ανέφεραν ότι τέτοιες βελτιώσεις δεν θα ήταν σημαντικές.

Ακόμα και σε μηδενική θερμοκρασία, τα άτομα εξακολουθούν να έχουν κβαντικές διακυμάνσεις, πράγμα που σημαίνει ότι υπάρχει ένα εγγενές όριο για το πόσες καλύτερες εικόνες μπορούν να δημιουργηθούν.

READ  Κακές ειδήσεις, η ζωή μάλλον δεν μπορεί να υπάρχει στην Αφροδίτη. Καλά νέα, θα μπορούσατε να είστε στα σύννεφα του Δία

Αφήστε μια απάντηση

Η ηλ. διεύθυνση σας δεν δημοσιεύεται. Τα υποχρεωτικά πεδία σημειώνονται με *