Em 2018, os pesquisadores da Universidade Cornell construíram um detector de alta potência que, em combinação com um processo orientado por algoritmo chamado pticografia, estabeleceu um recorde mundial ao triplicar a resolução de um microscópio eletrônico de última geração.
Por mais bem-sucedida que fosse, essa abordagem tinha uma defasagem. Funcionou apenas com amostras ultrafinas com alguns átomos de espessura. Qualquer coisa mais espessa faria com que os elétrons se dispersassem de maneiras que não poderiam ser desemaranhadas.
Agora, uma equipe, novamente liderada por David Muller, o Samuel B. Eckert Professor de Engenharia, superou seu próprio recorde por um fator de dois com um detector de matriz de pixel de microscópio eletrônico (EMPAD) que incorpora algoritmos de reconstrução 3D ainda mais sofisticados.
A resolução é tão ajustada que o único borrão que resta é a oscilação térmica dos próprios átomos.
O artigo do grupo, “Electron Ptychography Achieves Atomic-Resolution Limits Set by Lattice Vibrations”, publicado em 20 de maio na Science. O autor principal do artigo é o pesquisador de pós-doutorado Zhen Chen.
“Isso não apenas estabeleceu um novo recorde”, disse Muller. “Chegou a um regime que será efetivamente o limite final para resolução. Basicamente, agora podemos descobrir onde estão os átomos de uma maneira muito fácil. Isso abre um monte de novas possibilidades de medição de coisas que queríamos por muito tempo. Ele também resolve um problema antigo – desfazer a dispersão múltipla do feixe na amostra, que Hans Bethe estabeleceu em 1928 – que nos impedia de fazer isso no passado.”
Pticografia funciona através da varredura de padrões de espalhamento sobrepostos de uma amostra de material e procurando por mudanças na região de sobreposição.
“Estamos perseguindo padrões de manchas que se parecem muito com os padrões de apontadores laser pelos quais os gatos são igualmente fascinados”, disse Muller. “Ao ver como o padrão muda, somos capazes de calcular a forma do objeto que causou o padrão.”
O detector é ligeiramente desfocado, borrando o feixe, a fim de capturar a maior gama de dados possível. Esses dados são então reconstruídos por meio de algoritmos complexos, resultando em uma imagem ultraprecisa com precisão de picômetro (um trilionésimo de metro).
“Com esses novos algoritmos, agora somos capazes de corrigir todo o embaçamento de nosso microscópio a ponto de o maior fator de embaçamento que nos resta é o fato de que os próprios átomos estão oscilando, porque é isso que acontece com os átomos em temperatura finita”, disse Muller. “Quando falamos sobre temperatura, o que estamos realmente medindo é a velocidade média de quanto os átomos estão balançando.”
Os pesquisadores poderiam possivelmente bater seu recorde novamente usando um material que consiste em átomos mais pesados, que balançam menos, ou resfriando a amostra. Mas mesmo na temperatura zero, os átomos ainda têm flutuações quânticas, então a melhoria não seria muito grande.
Esta última forma de pticografia eletrônica permitirá que os cientistas localizem átomos individuais em todas as três dimensões quando, de outra forma, poderiam estar ocultos usando outros métodos de imagem. Os pesquisadores também serão capazes de encontrar átomos de impureza em configurações incomuns e imaginá-los e suas vibrações, um de cada vez. Isso pode ser particularmente útil na geração de imagens de semicondutores, catalisadores e materiais quânticos – incluindo aqueles usados na computação quântica – bem como para analisar átomos nas fronteiras onde os materiais são unidos.
O método de imagem também pode ser aplicado a células ou tecidos biológicos espessos, ou mesmo às conexões de sinapses no cérebro – o que Muller chama de “conectômica sob demanda”.
Embora o método seja demorado e exigente do ponto de vista computacional, ele poderia se tornar mais eficiente com computadores mais poderosos em conjunto com aprendizado de máquina e detectores mais rápidos.
“Queremos aplicar isso a tudo o que fazemos”, disse Muller, que co-dirige o Instituto Kavli em Cornell for Nanoscale Science e co-preside a Força-Tarefa de Ciência em Nanoescala e Engenharia de Microsistemas (NEXT Nano), parte da iniciativa de Colaboração Radical de Cornell. “Até agora, todos nós usamos óculos muito ruins. E agora temos um par muito bom. Por que você não iria querer tirar os óculos antigos, colocar os novos e usá-los o tempo todo?”
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