显微镜玩具吉尼斯世界纪录的诞生：更高分辨率

大家好，这里是老上光显微镜知识课堂，在这里你可以学到所有关于显微镜知识，好的，请看下面文章： 最近发表在《自然》杂志上的一项研究为显微图像的分辨率创下了吉尼斯世界纪录，达到0.04纳米，大约是普通原子-原子键长度的三分之一到五分之一，并且只有毛丝直径的四分之一（相当于长度和蚂蚁珠)穆朗玛峰高的比率。这种高分辨率是如何产生的它如何影响我们对复杂微观物质世界的理解陈振和蒋怡是这项工作的主要参与者。他们将讨论世界纪录的诞生以及该方法的应用和发展前景。
    
     图像的分辨率直接决定了我们对世界认识的深度。例如，近视不能看到远方事物的许多细节。在人类对微观世界的理解过程中，显微镜分辨率的提高往往会使我们的VI发生革命性的变化。然而，在材料研究中广泛应用的电子显微镜（EM）还远未达到理想的成像效果，更好是40倍以上。在广泛应用于蛋白质水解和其他生物大分子的低温电子显微镜（CEM）领域，生物显微镜的分辨率。由于电子束很容易被破坏，因此Cules更加不同，因此提高电子显微镜的分辨率一直是科学家们的目标。
    
     众所周知，光学显微镜是通过光学透镜聚焦可见光来成像样品的。由于可见光的波长较长，分辨率只有几百纳米。通常被认为是粒子的帽子电子可以被认为是一种波，因此电子可以类似于用于成像的可见光。1933年，欧内斯特·拉斯卡发明了台电子显微镜，并获得了1986年的诺贝尔物理学奖。
    
     电子显微镜有很多种，经常用来研究原子结构图像。我们最新的研究是使用透射电子显微镜。这种电子显微镜通常使用高能电子，电子的速度达到光速的一半。成像原理是当电子通过材料时，由于散射效应，电子的路径和分布会发生变化。通过检测电子在材料中的分布，可以得到材料的显微结构图像，经过近90年的发展，TEM已经成为一个集成了各种电子器件和探测器，并可以获得信息的非常先进的实验平台。各种材料的微观结构和化学成分。
    
     因为分辨率极限取决于波长，电子的波长远小于可见光的波长，所以在电子显微镜发明后不久，分辨率就超过了更好的光学显微镜。N显微镜得到了迅速的发展，70年代和80年代，实现了对单个原子的直接观测。
    
     然而，电磁透镜对电子的聚焦是不完美的，并且存在较大的像差(成像系统获得的图像相对于原始物体的畸变和模糊)，并且电子显微镜的分辨率远低于波长确定的极限。
    
     早在1948年，就有了校正电磁透镜像差的理论设计，但是直到1996年，由于计算机控制技术的巨大进步和sta的显著改进，才真正制造了球面像差校正器。此后，球面像差校正技术发展迅速，电子显微镜的分辨率也迅速提高。近十年来，球面像差校正的分辨率从0.2 nm迅速提高到0.05 nm。
    
     然而，2008年分辨率略优于0.05纳米的10年后，电子显微镜的分辨率仅略有提高，很难进一步提高分辨率。设计一种新型的复杂透镜系统是十分必要的。它还要求非常稳定的电磁信号和环境系统，甚至需要担心量子干扰。
    
     不可否认，0.05纳米比正常的原子-原子间距（0.1-0.2纳米）小得多，并且当前的分辨率足以解决材料的许多结构问题。然而，这种分辨率水平不能在所有的材料系统中实现。首先，这种分辨率必须用高能电子进行成像，许多材料不能承受这种高能电子，以便在被电子束破坏之前获得结构信息。硼酸盐。
    
     早在1969年，Hopper和W.就提出了另一种基于衍射的成像理论，在材料中，由于干涉效应，由衍射盘的重叠引起的强度变化包含了材料结构的相位信息。因此，通过某种数学方法可以从衍射图案中得到真实的空间结构，这种方法是我们最近研究中使用的方法ptychog.（光刻术）的起源，它来源于希腊的折叠，因此在这里被翻译为级联衍射成像。
    
     级联衍射成像技术的更大优点是，在理想情况下，它不需要使用电磁透镜进行成像，因此也被称为无透镜成像技术(现有的数学处理方法并不完善，仍然需要更好的物理透镜)。该方法也为突破成像透镜像差的分辨率限制提供了一种非常有效的方法。然而，由于成像系统的稳定性以及二维表面检测相机的读出速度和动态范围的限制，该技术尚未在电子学领域得到广泛的关注。RON显微镜检查。
    
     该技术的实验装置如下图所示。通过移动电子束扫描样品，记录从不同位置获得的衍射图案，得到包含位置和动量信息的四维数据。检测相机需要很大的动态范围和很高的灵敏度，并且需要在原子尺度上保持稳定性，因此也需要相机足够快的读取速度，同时满足这些条件的相机。在技术上很难实现。
    
     十多年前，David Muller教授和康奈尔大学Sol Gruner教授合作，在二维表面检测相机的发展衍射成像。
    
     最初，台相机直接使用芯片进行X射线检测，只实现了快速读取速度和高灵敏度，不仅没有达到高动态范围，甚至不能承受高能电子束的照射，而且被电子束快速破坏，可以不继续工作。
    
     为了打破这一局面，新一代电子显微镜像素阵列(EMPAD)相机在设计上进行了改进，并在2015年正式安装在电子显微镜上。在灵敏度上，每秒读取1100帧，非常适合于扫描衍射成像。在最初的应用中，David Muller的团队使用相机，使用纳米束衍射技术，实现了二维材料的超高精度应变测量。钕铁电极化成像
    
     由于相机的动态响应范围可达100万电子，因此利用叠加衍射成像技术可以提高相机的分辨率，然而，提高分辨率，特别是打破现有电子显微镜的更高分辨率，仍然是可能的。不容易。在接近百分之一纳米的尺度上，非常小的扰动会完全破坏成像系统的分辨率。照相机还有改进的空间。首先，相机通常以每秒500-1000帧的速度工作，仍然比通常的点探测器（例如，环形暗场相机）慢1000倍。较低的采样速度将导致较大的采样漂移和辐射损伤。ked衍射成像算法要求尽可能地知道实验参数，不要求有明显的样品漂移和扫描噪声。找到合适的样本来校准更高的分辨率。
    
     因此，我们需要花费大量的时间和精力来优化实验条件，校准实验参数，找到合适的样本，并解决算法中的各种参数设置。最后，我们选择单层二硫化钼来校准分辨率。在衍射频率空间中，选择一个具有小旋转角度的二硫化钼双层来显示真实空间中的分辨率，事实上，在光谱空间中已经表明，该方法和实验数据已经达到超高分辨率，然而，在EL领域中。ECCT显微术更能令人信服地分辨真实空间图像中原子间的短距离，在旋转面上投影的二硫化二硫化钼提供了一个连续的投影原子间距从0到0.2纳米。两个原子对某些原子位错的发生，因此非常适合于标定分辨率，经过大量实验和数据分析，最终获得了0.04纳米分辨率的新世界记录。
    
     该工作获得更高分辨率的图像，该材料为具有小旋转角度的双层二硫化钼。中间图形是一个实验图，由结构模型包围。
    
     该书出版后，引起了很大的反响。自然杂志邀请了该领域的先驱者之一罗登堡撰写一篇关于《破纪录显微镜》的评论。一些主流的科学研究评论网站都发表了评论。例如，《化学世界》出版物。对以前所未有的高分辨率捕获的二维材料发表了评论。康奈尔大学网站上刊登了电子显微镜检测器的重印结果。吉尼斯世界纪录还包括最新的分辨率世界纪录。
    
     在《自然》杂志的一篇综述中，罗登堡说，这项工作是证实叠加衍射成像可以超越更好的物理成像透镜，创造新的分辨率世界纪录。这种高分辨率，以及低能量和低剂量电子成像的使用，具有重大意义。对于脆性材料易受电子束损伤的结构表征。
    
     我们的研究工作证明了级联衍射成像技术的可行性和潜力，并真正推动了该方法的实用化，相信该方法将很快广泛地用于解决许多类型的材料，如二维毡的微观结构问题。目前，三维重建算法发展迅速，再加上这种方法的高分辨率和相位对比度，也为三维全息结构的重建提供了可行性。初步研究表明，该方法有望赶上甚至超过目前低温电子显微镜的单粒子成像技术，并可能对生物大分子结构的测定产生革命性的影响。预计将有助于解决多年来困扰生物和医学的疾病，如癌症。
    
     级联衍射成像技术从最初的引入到实际应用已经持续了70年，甚至在90年代有了明确的实施方案之后，也经历了近30年的发展。真令人钦佩。在20世纪90年代，不可能想象电子计算机能发展到这种程度，并且不可能预见到电子显微镜和检测照相机能满足这种方法的要求。
    
     事实上，在学术研究中也有这样的例子和研究者。发明或开发一种有用的工具或方法有时可能比使用现有的工具或方法解决实际问题更有价值。当然，开发工具或方法可能比使用现有的工具或方法更困难。因此，科研评价不仅要着眼于解决实际问题，还要鼓励开发新的方法和工具。
    
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