חוקרים מאוניברסיטת אילינוי באורבנה-שמפיין הראו לראשונה שמיקרוסקופים יקרים מתוקני סטייה אינם נדרשים עוד כדי להשיג רזולוציה מיקרוסקופית שוברת שיאים.
תחום המיקרוסקופיה נמצא בעיצומה של מהפכה גדולה. מאז שנות ה-1800 והמצאת מיקרוסקופ האור המורכב, היו רק כמה קפיצות גדולות ברזולוציה כדי לראות סולמות אורך שונים: מחיידקים ותאים, דרך וירוסים וחלבונים, ואפילו עד לאטומים בודדים. באופן כללי, מכיוון שהרזולוציה ביצעה את הקפיצות המדהימות הללו, כך גם המחיר של המיקרוסקופים המשמשים להשגת הרזולוציה הזו. תגי מחיר כבדים כאלה מגבילים מאוד את הנגישות של מכשירים אלה. הקפיצה הנוכחית ברזולוציה מגיעה מטכניקה חדשה הנקראת פטיכוגרפיה אלקטרונית – שיטה המשתמשת בחישוב כדי להגביר את הרזולוציה של מיקרוסקופים אלקטרוניים – שכבשה את התחום בסערה ב-5-6 השנים האחרונות.
חוקרים מאוניברסיטת אילינוי אורבנה-שמפיין הדגימו רזולוציה שוברת שיאים באמצעות פטיכוגרפיה אלקטרונית על מיקרוסקופי אלקטרונים "קונבנציונליים" (משמעות קונבנציונלית ללא מתקני סטייה יקרים). זה שובר את המגמה של עליית מחיר המיקרוסקופ עם רזולוציה עולה. הם הצליחו להשיג רזולוציה מרחבית עמוקה של תת-אנגסטרום עד ל-0.44 אנגסטרום (אנגסטרם אחד הוא עשרת מיליארדית המטר), העולה על הרזולוציה של כלים מתוקני סטייה ומתחרה ברזולוציות הפטיכוגראפיות הגבוהות ביותר שלהם.
"במשך 90-100 השנים האחרונות, התחום שלנו חשב שהדרך לעשות מיקרוסקופיה נהדרת היא ליצור מיקרוסקופים טובים יותר וטובים יותר", אומר פרופסור למדעי החומרים והנדסה Pinshane Huang, שהוביל את העבודה הזו. "הדבר המרגש ביותר במחקר שלנו הוא שאנחנו מראים שלא צריך מיקרוסקופ חדשני כדי לגרום לזה לעבוד. אנחנו יכולים לקחת מיקרוסקופ 'רגיל' ולעשות את אותו הדבר, באמצעות פטיכוגרפיה, וזה פשוט כמו טוב! זה מדהים כי יכול להיות הבדל של מיליוני דולרים בעלות בין שני ההגדרות."
מחקר זה, שנכתב לראשונה על ידי חוקרת הפוסט-דוקטורט לשעבר MatSE UIUC Kayla Nguyen, לשעבר סטודנטית לתואר שני ב-MatSE UIUC Chia-Hao Lee ומדען צוות המעבדה הלאומית Argonne Yi Jiang, פורסם לאחרונה בכתב העת מַדָע.
לפני הפטיכוגרפיה, מיקרוסקופי האלקטרונים ברזולוציה הגבוהה ביותר השתמשו בטכנולוגיה הנקראת תיקון סטייה כדי לאפשר למדענים לראות אטומים בודדים. במקום להשתמש בקרן אור כדי לחקור דגימה, מיקרוסקופים אלקטרונים משתמשים בקרן של אלקטרונים, ממוקדת על ידי אלקטרומגנטים. לאלקטרונים אורכי גל קטנים פי אלפיים מהאור הנראה, מה שמאפשר למיקרוסקופים אלקטרונים לפתר אובייקטים קטנים פי כמה ממה שניתן לראות במיקרוסקופים אופטיים. מדענים משתמשים במיקרוסקופים אלה כדי לפענח את המבנים של עצמים, החל מחלבון הספייק בנגיף ה-COVID-19 ועד לסידורי האטומים בגרפן, ובאופן כללי יותר, להציץ לתוך החומר כדי להבין את האטום שלו.
מבנה, הרכב והתקשרות.
עם זאת, אחד האתגרים בשימוש באלומות אלקטרונים הוא מיקוד אלומה זו.
אי אפשר ליצור עדשה מושלמת לאלקטרונים. מה שאנשים עשו כדי לפצות זה לייצר עדשות 'רעות', ואז לשים אחריהן מתקני סטייה, שהם סדרה של עדשות 'רעות' שהן 'רעות' בדרכים מנוגדות. לסיכום, הם מייצרים עדשות 'בסדר', וזה היה תקן הזהב לאופן שבו אנו מצלמים בקנה מידה אטומי במשך 20 שנה לפחות."
Pinshane Huang, פרופסור, המחלקה למדע והנדסת חומרים, אוניברסיטת אילינוי אורבנה-שמפיין
באופטיקה, סטייה היא כל דרך שבה עדשה חורגת מעדשה מושלמת. לדוגמה, לעיניים אנושיות יכולות להיות מספר סוגים של סטיות כמו קוצר ראייה וקצר ראייה (העיניים אינן יכולות להתמקד בכל המרחקים) ואסטיגמציה (עקמומיות של גלגל העין הגורמת לראייה מטושטשת). לי מסביר, "עבור עדשות אלקטרומגנטיות, הדרך למקד את האלקטרונים הללו היא דרך שדה אלקטרומגנטי. אבל אין לנו דרך מצוינת לשלוט על הצורה וחוזק השדה האלקטרומגנטי, מה שמציב מגבלה חזקה מאוד על מידת הדיוק אנחנו יכולים למקד את האלקטרונים האלה." במיקרוסקופיה מתוקנת סטייה, הטכנולוגיה החדישה הנוכחית, יש ערימה נוספת של עדשות לתיקון הסטיות מהעדשות הרגילות, שמשנה את צורת הקרן לפני שהיא פוגעת בדגימה. העדשות הנוספות לתיקון סטייה הן המקום שבו מתווספות עלויות משמעותיות למיקרוסקופ.
למרות שאי אפשר ליצור עדשה מושלמת, המטרה של 100 השנים האחרונות הייתה לייצר עדשות טובות יותר כדי למזער סטיות. אבל הואנג אומר, "מה שמרגש בפטיכוגרפיה הוא שאתה לא צריך ליצור עדשות טובות יותר ויותר. מה שאנחנו יכולים לעשות במקום זה להשתמש במחשבים."
במקום להשתמש בערימה של אופטיקה של עדשות כדי להסיר סטיות, הפטיכוגרפיה מסירה אותן באופן חישובי. עם דור חדש של גלאים, הנקראים גלאי פיקסלים היברידיים, שעולים כמה מאות אלפי דולרים (לעומת מיקרוסקופים מתוקני סטייה שעולים עד 7 מיליון דולר) ואלגוריתמים ממוחשבים, השיטה הזו יכולה להכפיל, לשלש או אפילו להכפיל את הרזולוציה של מה מיקרוסקופ יכול להשיג בעזרת העדשות הפיזיות שלו. הואנג וצוותה הראו שהגישה שלהם מכפילה פי ארבעה את הרזולוציה של מיקרוסקופי אלקטרונים קונבנציונליים. יתרה מכך, ניתן להתאים כמעט כל מיקרוסקופ אלקטרוני שידור סורק להשגת רזולוציה מתקדמת בשבריר מהעלות.
בעוד שגישה זו משנה את המשחק, הואנג מציין שפיטיכוגרפיה היא עדיין טכניקה מאתגרת הדורשת כוח חישוב רב. זה יכול לקחת שעות כדי לקבל שחזור יחיד כדי להגיע לרזולוציה הטובה ביותר. אבל, כמו בטכנולוגיות רבות אחרות, החישוב מתקדם די מהר ונעשה זול יותר, מהיר יותר וקל יותר לשימוש.
"הבאנו טכניקה חדשנית, פטיכוגרפיה אלקטרונית, למיקרוסקופי אלקטרונים קונבנציונליים כדי להראות בפעם הראשונה שמיקרוסקופ 'בינוני' יכול לעשות טוב בדיוק כמו המיקרוסקופים היקרים ביותר בשוק", אומר הואנג. "זה משמעותי עבור מאות מוסדות ברחבי הארץ וברחבי העולם שקודם לכן לא יכלו להרשות לעצמם את החוד החנית. עכשיו, כל מה שהם צריכים זה גלאי, כמה מחשבים ופיכיוגרפיה אלקטרונית. וברגע שאתה עושה את זה, אתה יכול לראות עולם האטום עם הרבה יותר פרטים ממה שמישהו דמיין אפילו לפני 10 שנים. זה מייצג שינוי פרדיגמה עצום".
