通过多模态断层扫描实现首次高分辨率3D纳米级化学成像

通过利用融合两个显微镜信号的智能学习算法，密歇根大学的研究人员首次在一纳米尺度上实现了高分辨率、高效的3D化学成像。就上下文而言，纳米是百万分之一毫米，或人类头发宽度的十万分之一。

材料科学与工程副教授罗伯特·霍夫登(RobertHovden)表示：“看到远小于光波长的不可见世界，对于理解我们在纳米尺度上工程的物质绝对至关重要，不仅是在2D中，而且在3D中也是如此。”密歇根大学的作者和该研究的通讯作者发表在《自然通讯》上。

“通过利用我们对成像过程的了解并采用新的断层扫描重建方法，我们现在能够同时以3D方式对结构和化学成分进行高分辨率成像。这对于复杂和异质材料来说是一种特别有用的方法，”Mary说Scott是该研究的特约作者，也是加州大学伯克利分校材料科学与工程系的TedvanDuzer副教授以及劳伦斯伯克利国家实验室分子铸造部门的教职科学家。

到目前为止，纳米材料研究人员必须在3D结构成像或2D化学分布成像之间做出选择。

两种成像技术都使用扫描透射电子显微镜，它可以加速高能电子束穿过样品材料。这些高能电子可以解析距离小于原子键长的结构。然而，高分辨率成像需要大量的剂量或能量才能有效捕获原子结构或化学成分。

大多数情况下，化学成像所需的剂量正好达到材料的极限，如果再暴露在光束下，样品就会开始熔化。这对于3D化学成像尤其重要，因为它需要采集许多化学图像。

纳米级3D成像的工作原理与医学CT扫描类似，设备围绕患者旋转以收集多个角度的图像，以3D方式查看内部结构。

相反，电子断层扫描(3D纳米级成像的首选方法)电子束保持静止，而样品围绕其倾斜。然而，这也带来了一系列的复杂性，研究人员无法对样本进行完整成像，必须依靠机器学习算法来预测不可用角度的视图。

“结构是一回事，但如果你想看到晶体管上的氧化层或为清洁能源应用而设计的纳米粒子中的氧分布，你需要看到纳米尺度的化学反应，这是电子断层扫描无法获得的一个人，”霍夫登说。

为了克服能量剂量问题，研究小组开发了一种称为“多模态电子断层扫描”的新工艺，可以在每个倾斜角度收集图像，而每隔几个倾斜角度就稀疏地收集化学图像。然后，多模态算法获取两种信号类型的信息并输出3D结构和化学成分。

混合信号可将能量剂量减少约100倍，确保在成像完成之前样本不会被破坏。

结果表明，该技术能够同时对有机化合物和金属进行成像，证明该技术可用于多种材料。

“我们的解决方案通过促进不需要太多剂量的信号和非常需要剂量的信号之间的通信，利用了显微镜中存在的所有互补信号，”来自材料科学与工程专业的博士研究生乔纳森·施瓦茨(JonathanSchwartz)说。密歇根大学和该研究的主要作者。

这两种成像技术依赖于电子在材料中移动时的不同物理特性。3D成像依赖于弹性散射，其中电子在穿过样品时不会损失能量。在化学成像中，较高能量的电子束增加了罕见的非弹性散射事件的可能性，其中电子失去了反映与其碰撞的元素的特定能量，从而提供了独特的化学特征。

霍夫登说：“这是我们如何混合和使用弹性和非弹性散射电子信号的全新方法。”

除了化学分布之外，机器学习输出甚至还提供有关化学计量或材料中元素比率的信息。例如，对于三氧化二铁(Fe2O3)中的每个基序，每三个氧原子可以有两个铁原子，或者每两个氧原子可以有两个铁原子。

“因为该算法试图找出存在的元素的分解，所以它很好地捕获了化学物质的比例。这是我们在算法优化过程中免费获得的东西，”现为Chan的科学家的Schwartz说。扎克伯格成像研究所。

霍夫登将该技术的成功归功于物理学、材料科学和现代计算机科学的利用。

“第一步是了解每个探测器在显微镜下电子与物质相互作用的物理原理。计算机科学将所有这些探测器连接在一起以创建完整的图像。这是该领域的一个全新的发挥空间，”霍夫登。

结合两种不同的信号来增强信息(也称为多模态成像)正在整个工程领域受到关注。可以使用卫星成像与热或化学传感相结合来检测和解决甲烷泄漏。自动驾驶汽车将提供地形信息的遥感信号与来自汽车的信号混合在一起以改善导航。

“这是多模态力量在我们领域的第一个重大成果之一。仍然能够找到在这些小尺度上观察物质的新方法，这令人兴奋，”霍夫登说。