电子断层扫描技术导致纳米尺度的三维重建

  了解材料的微观结构是理解其功能及其功能特性的关键。材料科学等领域的进步已经越来越多地将这些特征的能力推向更高的分辨率。纳米级分辨率成像的一种技术,即透射电子显微镜(TEM),是该领域有前途的技术的一个例子。科学家最近发现了一种方法,利用TEM的力量以尽可能高的分辨率测量材料的结构 - 确定每个原子的3D位置。

  

  透射电子显微镜在材料科学和生物学中得到广泛应用,加州伯克利劳伦斯伯克利国家实验室国家电子显微镜研究中心的科林·奥弗斯说,他是该研究团队的成员。因为我们完全解决了电子束的非线性传播问题,我们的断层扫描重建方法将能够在更高或甚至原子分辨率下对弱散射样本进行更多的定量重建。

  类似于医院中用于医学成像的计算机断层扫描(CT)扫描的方式使用一系列不同增量的二维横截面图像来构建,电子断层扫描通过逐渐旋转样本来构建三维体积,收集二维图片。虽然医院中的大多数CT成像都使用X射线来确定骨骼等较大物体的特征,但TEM中使用的电子束使研究人员能够以更高的分辨率观察,直至原子尺度。

  然而,在原子尺度上,我们不能忽视样品对电子束的非常复杂的量子力学效应,Ophus说。这意味着在我们的工作中,我们必须使用更复杂的算法来恢复原子结构,而不是MRI或CT扫描中使用的算法。

  使用的TEM设置测量了撞击显微镜传感器的能量强度,该能量强度与击中传感器的电子数成比例,这个数量取决于每个实验的电子束配置方式。使用强度数据,由该组设计的新算法将二维投影图像拼接成3D体积。

  然而,使用大视野跳转到三维可以使计算机的处理成倍地超过处理单个2D图像。为了解决这个问题,他们修改了他们的算法,用于图形处理单元(GPU),它可以比典型的计算机处理单元(CPU)并行执行多次数学运算。

  我们能够在合理的时间内获得实际样品尺寸的结果,团队成员David Ren说。

  由于其原子之间的键通常较弱,因此使用TEM研究生物分子是非常困难的,因为例如用于研究金属合金的电子束通常会撕裂生物分子。然而,降低样本中的电子剂量可以产生如此嘈杂的图像,当前使用的其他算法不能重建3D图像。由于更精确的物理模型,团队的新算法具有这种能力。

  现在他们已经完全开发了重建算法,该团队表示他们希望将他们从模拟中观察到的内容应用于实验数据。他们计划将所有重建代码作为更广泛的研究社区的开源提供。

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