正如大卫·穆勒（David Muller）所知，科学家们可以“研究他们可以测量的东西”。作为一名应用物理学家，穆勒（Muller）多年来一直在努力寻找最好的成像工具的局限性，以寻求在原子尺度上探测材料。
一种特别令人烦恼的采石场是二硫化钼材料的超薄层，这显示出建造薄而柔软的电子设备的希望。纽约伊萨卡市康奈尔大学的穆勒和他的同事们花了多年的时间在电子显微镜下观察MoS2样品，以辨别它们的原子结构。穆勒说，问题在于清楚地看到了硫原子。提高电子束的能量将使图像锐化，但在此过程中会将原子击出MoS2薄板。任何希望对结构缺陷做出明确定义的人都必须猜测。他说：“这将需要很大的勇气，也许是一半的时间，你是对的。”
今年7月，穆勒团队取得了突破。使用研究人员创建的超灵敏检测器和一种特殊的数据重建方法，他们将MoS2的特征分辨率降低到0.39埃，比传统电子显微镜要好两倍半。（1'是纳米的十分之一，是原子键长的常用度量。）立刻，以前模糊的硫原子现在清晰地显示出来了，而在没有原子的地方出现了“孔”。普通电子显微镜是“像飞行的螺旋桨飞机”吗？穆勒说。“我们有喷气式飞机。”？
穆勒图像代表了最新的技术进步，这引发了研究人员可以使用透射电子显微镜（TEM）进行探测的一场革命。透射电子显微镜（TEM）的装置像一个房间一样高，可以使电子束通过样品，以探查小尺寸的结构。规模小于一个原子。这些机器有望使科学家能够看到以前无法到达的细节，从脆弱的下一代电子材料的结构到可以分离气体的多孔物质的内部。
令人兴奋的只是高分辨率图像。新功能还使研究人员能够前所未有地探索材料的不可见特性，包括电场和磁场以及难以检测到的晶体内部振动。而且一些研究人员正在将充满电子真空的电子显微镜内部转换成微型实验室，以便他们可以研究样品在暴露于液体，气体或温度变化时的行为。
改进的一个重要原因是对电子敏感的快速检测器。这些检测器的早期化身已经对生物学产生了影响，揭示了有关蛋白质和其他物质构建的细节，这些细节将通过传统的X射线晶体学测量-如果不是不可能的话-将非常耗时。但是研究人员说，这些新功能的许多回报才是遥不可及的，尤其是在纳米材料和其他合成系统的研究上。长期以来，人们一直在“弄清楚你能做什么”？加州劳伦斯伯克利国家实验室的材料科学家郑海梅说。“泪以为这个领域正准备解决更重要的问题。”
新决议
自1930年代问世以来，电子显微镜在某些方面已发生了很大变化。现代TEM仍然通过样品射出电子束。在远端，检测器然后记录最终的图像，或者研究人员可以使用来自散射电子的信息来重建样本结构。因为电子的波长可以比可见光短数千倍，所以它们能够分辨比普通光学显微镜更精细的细节。
尽管此基本设计保持不变，但TEM的分辨能力却提高了1000倍以上。最后一个重大飞跃始于20年前，随着电磁体的出现，可以纠正电子束的畸变。到2000年代后期，这些期待已久的像差校正器已使先进的TEM达到亚埃分辨率。
穆勒说：“无论是物质上的人们，像差校正器都是一次巨大的革命。”“不仅可以让您看到想要看到的每种原子，而且还可以使您比以前更快地工作。”但是，要充分利用分辨率的飞跃，显微学家仍然必须提供高强度的原子。剂量的电子束加到样品上-这意味着易碎材料，包括任何生物材料都将受到损坏。
生物学家很快就进行了另一项创新。多年来，获取TEM图像的最佳电子方法始于辐射敏感型闪烁体，该闪烁体用于将入射的电子转换为光子，然后可以对其进行检测。但是这个过程是间接的，效率低下的，并且导致很多模糊。
这种情况在2010年代初发生了变化，当时“正电子探测器”被广泛使用。这样的设备可以直接有效地记录电子，从而从更少的入射粒子中产生更清晰的图像。
生物学家将这些检测器与冷冻样品配对，创建了一种称为低温电子显微镜（cryo-EM）的TEM技术，该技术已经阐明了多种生物分子的结构。去年，该方法的三位开拓者因其工作获得了诺贝尔化学奖。
穆勒说，对于许多材料科学家来说，这些探测器的吸引力较小。一方面，他们不能容忍每个像素许多电子，这阻止了研究人员使用他们需要以最小的尺度观察物体的那种高强度光束。该设备特别不适用于扫描透射电子显微镜（STEM），在该显微镜中，电子被聚焦成较小的，更亮的束，然后可以在整个样品上移动。问题在于，低温EM检测器的设计既不能捕获未扩散通过样品的大量电子，又不能捕获从其原始路径偏转的小部分电子，这对于STEM至关重要。
十年前，穆勒（Muller）和他的同事开始研究一种可以捕获所有这些电子的探测器。与用于冷冻EM的设备（可能具有数百万个像素）不同，该团队最终的设备称为电子显微镜像素阵列检测器（EMPAD），拥有不到20,000个像素。但是，EMPAD是建立在半毫米厚的硅板上，因此它可以捕获撞击到电子的所有电子能量，从而辨别单个粒子以及主束。穆勒将检测器的百万分之一动态范围比作晴天的背光图像。他说：“他是一个探测器，能够同时获得太阳上所有黑子的图像和阴影中我朋友脸部的图像。”
正是这一进展使Muller团队能够借助计算方法处理称为ptychography1的多种散射图案，从而清晰地对今年的MoS2条成像。但是，捕获样品散射的所有电子的能力为研究人员提供了更多的信息。例如，电场和磁场会改变电子的散射方式。在2016年，Muller及其同事2证明，他们可以使用EMPAD收集的数据来绘制样本中各个点的磁场，这是其他方法难以完成的壮举。穆勒现在兴奋地要研究的一个主题是天rm星的纳米级磁旋涡，它有可能被用来存储数据。
Muller团队并不是唯一创建动态范围大的检测器的团队。英国牛津的量子检测器公司是基于Medipix制造电子显微镜检测器的三家公司之一，Medpix是在瑞士日内瓦附近的欧洲最大的粒子物理实验室CERN开发的一种芯片。与格拉斯哥合作的英国格拉斯哥大学的显微镜专家达米恩·麦克格鲁特（Damien McGrouther）说：“泪水让他们震惊了大制造商。”同时，穆勒（Muller）已将其技术授权给赛默飞世尔科技公司（Thermo Fisher Scientific），后者是一家总部位于马萨诸塞州沃尔瑟姆的大型研究供应公司。
精细成像
直接电子检测器还允许减少束中的电子数量，因此可用于照射一系列辐射敏感材料。这些包括，例如，金属-有机骨架（MOF），研究人员正在探索用于许多用途的多孔晶体材料，例如从沙漠空气中提取水分并将天然气与其他碳氢化合物分离。在加利福尼亚州普莱森顿市的电子显微镜公司Gatan从事业务发展的物理学家Ming Pan说，这些目标对电子剂量的敏感性甚至可能比蛋白质更高。2017年，他加入了一个团队，该团队使用TEM3上的一个Gatan探测器以原子分辨率对MOF进行成像。
直接电子探测器的灵敏度和速度（可以超过每秒1,000帧），也引起了研究静态结构以外的移动电子显微镜研究人员的注意。由于采用了微细加工技术，现在可以使样品架的功能比仅仅放在电子显微镜的高真空环境中还要多。研究人员可以控制温度，施加张力和压缩，将样品暴露于气体中，甚至限制液体溶液的使用，以查看材料如何发生相，结构或化学变化。
剑桥麻省理工学院的材料科学家弗朗西斯·罗斯（Frances Ross）说，这些想法中的许多都不是新鲜事物。梳理旧报纸后，她受到启发，找到1940年代有关如何看待两个薄窗户之间的水的讨论。她说：“他的想法在那里。”“但是他们没有材料，制造技术来以实际的方式实现它。” / p>
罗斯因将液体细胞带入实际领域而广受赞誉。作为2000年代初期在IBM的一名研究人员，她和她的同事们创建了一个带有氮化硅板的支架，该支架足够薄，可以使电子穿过相对不受阻碍的地方4。从那时起，研究人员就探索了用于液体电池的其他材料，例如石墨烯5。
在劳伦斯伯克利实验室中，郑正领导着一项耗资数百万美元的美国能源部计划，致力于进一步开发该技术。她和其他人训练了一种为液体样品上的低温电磁波设计的检测器的变型。在其他目标中，他们对电池电极和电解质之间的界面很感兴趣-这是一个至关重要的领域，在该领域中诸如形成称为树枝状晶体的金属细丝之类的问题会缩短电池寿命，甚至导致其爆炸。她说，这样的研究可能有助于设计改善性能和研究新电池成分的方法。当研究人员想要测试材料时，他们通常会构建称为“纽扣电池”的小型电池，以观察整体性能。但是，郑说，那个细胞几乎就像一个黑盒子。他们说，他们不知道内部发生了什么。她说，对于液态电池，研究人员可以了解最终决定电池性能的各种纳米行为，包括树枝状晶体的生长方式。
其他人已经在更基本的系统上训练了电子显微镜。在荷兰的埃因霍温科技大学，Nico Sommerdijk和他的同事们探索了类似于细胞中囊泡的充满液体的结构的形成。在尚未发表的工作中，研究人员对一种双面聚合物成像，该聚合物在液体中自组装形成人造囊泡。Sommerdijk与位于华盛顿州里奇兰市的太平洋西北国家实验室的Jim de Yoreo领导的团队一起研究了聚合物如何与钙结合，这一过程可以提供洞察力，使海洋生物如何生长出称为珍珠母或母体的虹彩物质。珍珠Sommerdijk说：“这不是青霉素的发明，但我们正在逐步了解科学。”
液体细胞研究面临挑战。de Yoreo说，最大的问题之一是，当电子撞击水或有机溶剂时，它们可能会造成严重破坏，产生带电的自由基，这些自由基可以破坏样品，改变pH值或生成导致意外反应的还原剂。很难测量显微镜内部的pH和温度等量。
但是其他人对电子束效应的最新研究感到鼓舞。英国达累斯伯里高级显微镜研究中心和用户机构SuperSTEM的材料科学家Patricia Abellan说，她已经看到“在理解电子束与物质相互作用方面的革命”？特别是在液体系统中。与研究人员的合作在很大程度上促进了这一变化，这些研究人员专注于研究受核辐射影响的材料。在过去的几年中，Abellan等人探索了添加剂如何控制颗粒的生长并改变pH值，以及水以外的溶剂（例如甲苯）如何限制电子束对液体样品的影响6。
更好的光束
电子显微镜的进步也来自于改进电子束本身。称为单色仪的设备使研究人员能够缩小到达样品的电子的能量范围。研究人员开始使用这种更紧密的能量分布以及光谱仪和其他仪器，以超越材料的基本结构和组成，并以更精细的分辨率绘制更复杂的特性。一种这样的目标是材料原子晶格中的声子振动。将这些振动映射为原子分辨率“将为大多数现代技术背后的关键过程提供大量信息”？阿贝兰说，例如材料如何传导电和热。
一些研究人员正在将电子束电势本身与材料干涉成为一种工具。今年早些时候，维也纳大学的物理学家托马·苏西（Toma Susi）及其同事使用STEM电子束将硅原子从一个六角形的石墨烯晶格中的一个位置移动到另一个位置。Susi说，多年来对原子力和扫描隧道显微镜中键合较弱的材料进行了类似的处理，但在这些情况下，结果不稳定。如果原子保持非常冷，则热能会擦除新结构。电子显微镜能够进行更高能量的工作。他说：“一旦操纵了某些东西，它就不会真正存在。”研究人员希望，这种能力可能有助于将原子推向3D结构内部，例如，创建用于量子计算的小型设备8。
在比利时的安特卫普大学，约翰·范贝克（Johan Verbeeck）希望通过使电子通过可改变其相位的板，使电子成为更复杂的探针。通过在电子穿过样品之前将其嵌入电子中，研究人员可能能够找到有关样品特性的更多信息。韦贝克说：“他的目标是从同一个电子中获取更多信息。”
Sommerdijk指出了英国利物浦大学的Nigel Browning的工作，他一直在探索如何控制STEM光束以最大程度地减少损坏。而不是进行全面扫描，显微镜可能会击中样品中的一部分点。如果做得对，这种稀疏采样仍然可以生成大量有用的数据。Sommerdijk说：“泪水很漂亮。”他补充说，它在液体研究中可能特别有用。
穆勒（Muller）着眼于其他想法。他希望看到，例如，详细的材料研究是否可以从室温扩展到低温。这一前景需要比电子显微镜目前更高的机械稳定性。他说，但是这个领域发展很快。“不要相信任何人都站着不动。每个人都在想下一步要做什么。
自然563，462-464（2018）
