Réinventer la microscopie électronique : apporter une résolution haut de gamme à des microscopes moins coûteux


Des chercheurs de l'Université de l'Illinois à Urbana-Champaign ont montré pour la première fois que des microscopes coûteux à correction d'aberration ne sont plus nécessaires pour atteindre une résolution microscopique record.

Le domaine de la microscopie est au milieu d’une grande révolution. Depuis les années 1800 et l’invention du microscope optique composé, il n’y a eu que quelques sauts majeurs de résolution pour voir différentes échelles de longueur : des bactéries et cellules aux virus et protéines, et même jusqu’aux atomes simples. En général, à mesure que la résolution a fait des progrès incroyables, le prix des microscopes utilisés pour atteindre cette résolution a également augmenté. Des prix aussi élevés limitent considérablement l’accessibilité de ces instruments. L'augmentation actuelle de la résolution provient d'une nouvelle technique appelée ptychographie électronique – une méthode qui utilise le calcul pour augmenter la résolution des microscopes électroniques – qui a pris d'assaut le domaine au cours des 5 à 6 dernières années.

Des chercheurs de l'Université de l'Illinois à Urbana-Champaign ont démontré une résolution record en utilisant la ptychographie électronique sur des microscopes électroniques à transmission « conventionnels » (c'est-à-dire sans correcteurs d'aberrations coûteux). Cela brise la tendance à l'augmentation du prix des microscopes avec l'augmentation de la résolution. Ils ont pu atteindre une résolution spatiale inférieure à l'angström jusqu'à 0,44 angström (un angström équivaut à un dix milliardième de mètre), ce qui dépasse la résolution des outils corrigés des aberrations et rivalise avec leurs résolutions ptychographiques les plus élevées.

« Au cours des 90 à 100 dernières années, notre domaine a pensé que la meilleure façon de réaliser une microscopie de qualité était de fabriquer des microscopes de plus en plus performants », explique Pinshane Huang, professeur de science et d'ingénierie des matériaux, qui a dirigé ces travaux. « La chose la plus excitante de nos recherches est que nous montrons qu'il n'est pas nécessaire d'avoir un microscope de pointe pour faire ce travail. Nous pouvons prendre un microscope « conventionnel » et faire la même chose, en utilisant la ptychographie, et c'est tout simplement aussi bien ! C'est incroyable car il peut y avoir une différence de coût de plusieurs millions de dollars entre les deux configurations.

Cette recherche, co-écrite pour la première fois par Kayla Nguyen, ancienne chercheuse postdoctorale au MatSE UIUC, Chia-Hao Lee, ancienne étudiante diplômée du MatSE UIUC, et Yi Jiang, scientifique du Laboratoire national d'Argonne, a été récemment publiée dans la revue Science.

Avant la ptychographie, les microscopes électroniques à plus haute résolution utilisaient une technologie appelée correction des aberrations pour permettre aux scientifiques de voir des atomes individuels. Plutôt que d’utiliser un faisceau de lumière pour sonder un échantillon, les microscopes électroniques utilisent un faisceau d’électrons focalisé par des électro-aimants. Les électrons ont des longueurs d'onde des milliers de fois plus petites que la lumière visible, ce qui permet aux microscopes électroniques de résoudre des objets plusieurs fois plus petits que ceux visibles avec des microscopes optiques. Les scientifiques utilisent ces microscopes pour décoder les structures d’objets allant de la protéine de pointe du virus COVID-19 aux arrangements d’atomes dans le graphène et, plus généralement, pour scruter l’intérieur de la matière afin de comprendre sa structure atomique, sa composition et ses liaisons.

Cependant, l’un des défis liés à l’utilisation de faisceaux d’électrons est de focaliser ce faisceau. « Il est impossible de créer une lentille parfaite pour les électrons », explique Huang. « Ce que les gens ont fait pour compenser, c'est fabriquer de « mauvais » objectifs, puis leur mettre des correcteurs d'aberration, qui sont une série de « mauvais » objectifs qui sont « mauvais » de manières opposées. En résumé, ils fabriquent des objectifs « corrects ». , et c'est la référence en matière de façon dont nous imaginons à l'échelle atomique depuis au moins 20 ans.

En optique, une aberration est la manière dont une lentille s'écarte d'une lentille parfaite. Par exemple, les yeux humains peuvent présenter plusieurs types d'aberrations, telles que la myopie et la myopie (les yeux ne peuvent pas se concentrer à toutes les distances) et l'astigmatisme (courbure du globe oculaire qui provoque une vision floue). Lee explique : « Pour les lentilles électromagnétiques, la manière de focaliser ces électrons se fait à travers un champ électromagnétique. Mais nous n'avons pas de moyen efficace de contrôler la forme et la force du champ électromagnétique, ce qui impose une très forte limitation à la précision. nous pouvons concentrer ces électrons. En microscopie avec correction des aberrations, la technologie de pointe actuelle, il existe une pile supplémentaire de lentilles pour corriger les aberrations par rapport aux lentilles ordinaires, qui modifient la forme du faisceau avant qu'il n'atteigne l'échantillon. Ces lentilles supplémentaires de correction des aberrations sont celles où des coûts importants sont ajoutés au microscope.

Bien qu’il soit impossible de fabriquer un objectif parfait, l’objectif des 100 dernières années a été de fabriquer continuellement de meilleurs objectifs afin de minimiser les aberrations. Mais Huang dit: « Ce qui est passionnant avec la ptychographie, c'est qu'il n'est pas nécessaire de fabriquer des lentilles de plus en plus performantes. Ce que nous pouvons faire à la place, c'est utiliser des ordinateurs. »

Plutôt que d’utiliser une pile de lentilles optiques pour supprimer les aberrations, la ptychographie les supprime par calcul. Avec une nouvelle génération de détecteurs, appelés détecteurs de pixels hybrides, qui coûtent quelques centaines de milliers de dollars (comparativement aux microscopes corrigés des aberrations qui coûtent jusqu'à 7 millions de dollars) et des algorithmes informatiques, cette méthode peut doubler, tripler, voire quadrupler la résolution de ce qui un microscope peut réaliser avec ses lentilles physiques. Huang et son équipe ont montré que leur approche quadruple la résolution des microscopes électroniques à transmission conventionnels. De plus, presque tous les microscopes électroniques à transmission et à balayage peuvent désormais être adaptés pour atteindre une résolution de pointe à une fraction du coût.

Bien que cette approche change la donne, Huang note que la ptychographie reste une technique difficile qui nécessite beaucoup de puissance de calcul. Cela peut prendre des heures pour obtenir une seule reconstruction afin d'atteindre la meilleure résolution. Mais, comme c’est le cas pour de nombreuses autres technologies, le calcul progresse assez rapidement et devient moins cher, plus rapide et plus facile à utiliser.

« Nous avons apporté une technique de pointe, la ptychographie électronique, aux microscopes électroniques à transmission conventionnels pour montrer pour la première fois qu'un microscope « médiocre » peut faire aussi bien que les microscopes les plus chers du marché », explique Huang. « C'est important pour les centaines d'institutions à travers le pays et dans le monde qui auparavant ne pouvaient pas se permettre d'acquérir des technologies de pointe. Désormais, tout ce dont elles ont besoin c'est d'un détecteur, de quelques ordinateurs et d'une ptychographie électronique. Et une fois que vous avez fait cela, vous pouvez voir le monde atomique avec beaucoup plus de détails que quiconque ne l'imaginait il y a à peine 10 ans. Cela représente un énorme changement de paradigme.

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