Электронная томография позволяет визуализировать трехмерную структуру различных микро- и нанообъектов, таких как элементарная ячейка кристаллического вещества, биологическая клетка или вирус. Ученые из Калифорнийского технологического института создали электронную 4D-томографию, сумев интегрировать в обычную электронную томографию четвертое измерение — время. С ее помощью можно отслеживать пространственно-временные характеристики структуры изучаемого объекта с нанометрово-фемтосекундным разрешением.

Часто при изучении какого-либо объекта желательно не только получить изображение его структуры на атомарном уровне, но и проследить в этом масштабе за тем, как внутреннее строение объекта меняется со временем. С первой задачей техническая оснащенность научных лабораторий позволяет справляться относительно легко. Основное «оружие» исследователей — рентгеновский и просвечивающий электронный микроскоп. Изучаемый объект облучают либо рентгеном, либо электронами таким образом, чтобы получить на экране контрастное и четкое дифракционное изображение. После этого специальными математическими методами обрабатывают значения интенсивности рассеянного излучения на экране и по ним визуализируют внутреннее строение образца с той стороны, с которой его облучали. Если же вращать предмет или основание (подложку), на котором он находится, перед рентгеновским или просвечивающим электронным микроскопом, то можно получить его трехмерное изображение (рис. 1).

Рис. 1. Принцип электронной томографии. Рисунок из книги J. Frank «Electron Tomography: Methods for Three-Dimensional Visualization of Structures in the Cell».

Электронная томография зародилась в конце 60-х годов прошлого века и долгое время из-за медлительности компьютеров, обсчитывающих значения интенсивностей, была весьма трудоемким процессом. С появлением мощных и быстродействующих вычислительных машин стало возможно практически моментально реконструировать из данных по дифракции трехмерный вид исследуемого образца (рис. 2).

Рис. 2. Эволюция трехмерной томографии. Рисунок из книги J. Frank «Electron Tomography: Methods for Three-Dimensional Visualization of Structures in the Cell».

Решить вторую задачу — то есть встроить в электронную томографию четвертое измерение (время) и получать не просто трехмерные статические изображения тел в микро- и наномасштабе, но и их динамику — долго не удавалось. Во-первых, для получения видео требуется обработать огромное количество данных.

Предположим, что в некий момент времени t₀ происходит накопление определенного количества двумерных снимков объекта — его проекций на экран для разных углов обзора. Затем из них формируется 3D-картинка. После этого происходит повторение данной процедуры для следующего момента времени t₀ + δt. Потом для t₀ + 2δt и так далее, пока не накопится желаемое количество трехмерных изображений, из которых потом, используя стробоскопический эффект, можно смонтировать «фильм». Следовательно, для получения видео требуются немалые вычислительные ресурсы.

Во-вторых, если речь идет о динамике внутреннего строения объекта в атомарном или молекулярном масштабе, то временной промежуток δt должен быть очень малым, на уровне нано- и пикосекунд, а то и меньше.

Преодолеть эти сложности и интегрировать четвертое измерение в электронную томографию удалось коллективу ученых из Калифорнийского технологического института США. Свою статью, опубликованную в журнале Science, они так и назвали — 4D Electron Tomography. Принцип электронной 4D-томографии довольно прост. На исследуемый объект, находящейся на прозрачной для электронов подложке, подается лазерный импульс. Основное его назначение — создать в объекте структурные изменения, чтобы их потом зафиксировать. В принципе, ненулевая температура и так делает любое тело в масштабе нескольких нанометров неспокойным. Однако под действием лазера изменения в строении как минимум на порядок сильнее. А это значит, что с помощью лазерного импульса можно более эффектно показать возможности электронной 4D-томографии.

После этого с некоторой контролируемой задержкой — от нескольких фемтосекунд (фемто = 10^–15) до нескольких наносекунд по отношению к лазерному импульсу — запускается поток электронов. Рассеиваясь на образце, электроны создают его дифракционное двумерное изображение на экране. Затем с некоторым интервалом времени, который может варьироваться от фемтосекунды до наносекунды (в зависимости от того, насколько быстро меняется структура объекта), происходит поворот подложки на угол 1°. После облучения электронами получается новое двумерное изображение объекта. Весь процесс повторяется для интервала углов от –58° до +58° (0° отвечает перпендикулярному падению электронного луча на подложку). В результате обработки полученных проекций рассчитывается трехмерное изображение изучаемого образца.

Спустя определенный промежуток времени (от порядка одной фемтосекунды до наносекунды) после набора проекций для первой 3D-картинки авторы вновь проделали описанную процедуру, получив следующее трехмерное изображение объекта. Данную процедуру повторили еще раз, потом еще раз, и т. д. В итоге получили набор трехмерных изображений, которые они затем смонтировали в виде фильма, показывающего, как меняется объект под действием теплового удара от лазера. Собственно, в этом и заключается электронная 4D-томография.

Чтобы на практике показать работу своей установки, авторы статьи попробовали с ее помощью изучить нестационарное поведение многостенной углеродной нанотрубки, скрученной в виде браслета. Средняя толщина нанотрубки составляла около 50 нм, длина — приблизительно 4,4 мкм.

На рис. 3 приведены результаты томографии — снимки углеродного браслета в разные моменты времени, прошедшие после выстрела лазером в нанотрубку. Энергия электронов в процессе томографии составляла 200 кэВ (длина волны 2,5 пикометра).

Рис. 3. A. Принцип работы электронной 4D-томографии. Тепловой импульс от лазера в момент времени t₀ (начало отсчета) создает в образце структурные изменения. После этого с некоторой задержкой (при t_α) происходит облучение объекта потоком электронов. Образец находится на подложке, повернутой на некоторый угол α по отношению к электронному лучу. В результате прохождения электронов через образец на экране формируется дифракционная картина, из которой потом получают его двумерное изображение. B. Для четырехмерной томографии используется серия двумерных изображений (проекций) объекта, полученных для разных углов наклона (углов обзора) подложки и разных временных интервалов между проекциями и сериями проекций. Угол обзора менялся от –58° до +58° с шагом 1°. Временные промежутки варьировались от фемтосекунды до наносекунды. Для создания видео (4D-томограммы) было использовано около 4000 2D-изображений образца. Рисунок из обсуждаемой статьи в Science.

Но основные достижения, которыми гордятся авторы, — это видеоролики, являющиеся результатом монтажа всех накопленных трехмерных снимков углеродной нанотрубки. На первом видео параллельно показываются пять 4D-томограмм, демонстрирующих изменения вида нанотрубки в промежутке от –10 нс (то есть за 10 наносекунд до подачи тепла на нанотрубку) до 85 нс для разных углов обзора. Серый цвет (на правой четырехмерной томограмме) соответствует участкам браслета, которые в ходе своего движения возвратились к своему прежнему (как это было с ними до теплового импульса) местоположению. На втором видео приведена более поздняя «жизнь» нанотрубки, охватывающая промежуток от 1950 до 2230 нс (также для разных углов обзора). Всего для создания всех 4D-томограмм ученые использовали около 4000 двумерных снимков нанотрубки. (Для удобства восприятия скорость, с которой на видео демонстрируется характер структурных изменений нанотрубки, значительно замедлена.)

Рис. 4. Отдельные кадры из электронной 4D-томограммы углеродной нанотрубки для разных углов обзора и в разные промежутки времени (5, 15, 30 и 75 наносекунд). Время отсчитывается с момента подачи тепла на нанотрубку. Стрелки показывают направление движения отдельных участков изучаемого объекта. Черный цвет некоторых областей нанотрубки означает, что они вернулись в исходное положение до теплового удара (при t = 0). Вставки на каждом кадре соответствуют «необработанному» изображению нанотрубки при нулевом угле наклона подложки (электронный луч падает на нее перпендикулярно). Изображение из обсуждаемой статьи в Science.

Надо отметить, что процесс электронной 4D-томографии не вносит непредвиденных и существенных изменений в строение нанотрубки. Средняя доза, необходимая для получения одного 2D-снимка образца, не превышала 15 электронов на квадратный нанометр при промежутке между импульсами порядка наносекунды. При фемтосекундном промежутке эта величина уменьшалась на несколько порядков. Суммарная же доза, которую получала нанотрубка за всё время четырехмерной томографии, на два порядка меньше значения, при котором начинается ее необратимая деформация.

Обсуждаемая статья вышла в Science 25 июня. Спустя почти месяц в журнале Nanoletters практически тот же состав ученых опубликовал еще одну работу, посвященную четырехмерной электронной микроскопии: Nonchaotic Nonlinear Motion Visualized in Complex Nanostructures by Stereographic 4D Electron Microscopy. На этот раз ученые провели 4D-томографию никелида титана NiTi, имеющего так называемый эффект памяти формы. Всё это означает, что электронная 4D-томография обещает найти широкое применение в различных областях науки (материаловедение, биология и т. д.).

Результаты работы опубликованы в статье:

Oh-Hoon Kwon, Ahmed H. Zewail. 4D Electron Tomography // Science. – 2010. – V.328. – no. 5986. – pp. 1668 – 1673.

По материалам