Электронная томография представляет собой мощное средство для получения изображений материалов с высоким разрешением. Однако до сих пор считалось, что методика не может обеспечить трехмерного отображения на атомарном уровне. И виной тому целый комплекс причин. В своей последней работе группа ученых из США утверждает, что они смогли преодолеть некоторые из упомянутых ограничений в новом модифицированном методе наклонной томографии. Предложенная методика позволит получать изображения поверхностей наноматериалов, в том числе биологических образцов.

Способность ученых представить, каким образом материалы построены из отдельных атомов, сыграла решающую роль в развитии науки и техники.

Методы кристаллографии уже достаточно давно используются для выявления трехмерных кристаллических структур. Для исследования поверхности на атомарном уровне применяются сканирующие зондовые микроскопы. Электронные микроскопы, в свою очередь, дают изображения двумерных проекций объемных периодических кристаллических образцов.

Несмотря на такое обилие исследовательских техник, в настоящее время не существует прямого способа определения структуры трехмерных образцов на атомарном уровне без предварительного знания структуры кристаллической решетки и предположения о том, что атомы жестко зафиксированы в узлах этой решетки.

Наилучшим кандидатом на роль трехмерной методики отображения является электронная томография. Однако одним из основных ее недостатков является то, что в процессе исследований образец должен быть несколько раз наклонен, и результирующая картина может быть получена только объединением снимков, сделанных при разных углах наклона.

• Проблема в том, что электронные пучки, использующиеся в микроскопии, ограничивают количество возможных проекций образца, т.к. они разрушают его внутреннюю структуру и изменяют форму.
• Другая проблема заключается в том, что технически сложно контролировать наклон образца по одной из осей на атомарном уровне.
• Кроме того, образцы не могут быть наклонены более чем на +/- 79 градусов, а это значит, что существует достаточно большая «мертвая зона», изображение которой не может быть получено.

Совместная группа исследователей из University of California и Lawrence Berkeley National Laboratory (США) преодолела эти проблемы, применяя новый метод выравнивания образца в сочетании с технологией итерационной реконструкции при помощи темнопольного просвечивающего электронного микроскопа (annular dark field scanning tunnelling electron microscope, ADF-STEM).

Ученые утверждают, что

они создали методику, благодаря которой можно напрямую получать изображения трехмерных кристаллических структур, не полагаясь на априорно собранную информацию.

Данная методика унаследовала разработки той же группы, выполненные еще в 2005 году с целью создания так называемой наклонной электронной томографии, позволяющей получать изображения при малом наклоне образцов с помощью трехмерного Фурье-преобразования. Это, в свою очередь, позволило использовать при построении трехмерной картинки меньше начальных изображений, т.е. производить меньшее число облучений образца при сохранении контрастности и качества результирующего изображения.

В ходе тестирования новой методики им удалось наблюдать отдельные атомы в некоторых областях наночастицы золота диаметром 10 нм и выявить на ней несколько зерен с разрешением всего 2,4 Ангстрема по одному измерению.

Ученые утверждают, что разработанную методику в будущем можно использовать для определения локальной трехмерной структуры кристаллических, поликристаллических и даже неупорядоченных наноматериалов на атомарном уровне. Подробные результаты работы были опубликованы в журнале Nature.