Czy można zbudować mikroskop bez obiektywu?
Można.
Czy można za pomocą tego mikroskopu obserwować atomy?
Można.
O ptychografii
Zacznijmy więc od wyjaśnienia, czym jest ptychografia (starogrecki: πτύξ oznacza „składanie”). Jest to metoda obrazowania za pomocą komputerowej analizy i nakładania wielu nakładających się obrazów dyfrakcji i interferencji światła widzialnego (lub wiązki elektronów, promieniowania rentgenowskiego, skrajnego ultrafioletu) przechodzącego przez badaną próbkę. Obraz pierwotny jest odtwarzany iteracyjnie na podstawie natężenia promieniowania ugiętego na obiekcie i fazy interferujących fal. Brak soczewek eliminuje problem dokładności ich wykonania i różnego rodzaju aberracji optycznych. Dotyczy to także soczewkowania elektronów w mikroskopie elektronowym. Inną, równie ważną zaletą, w porównaniu do mikroskopii elektronowej, jest fakt, że badane próbki nie muszą być barwione ani znakowane.
Obraz ptychograficzny jest prawie doskonały, pozbawiony wad analogowych obrazów optycznych, zniekształceń, rozmyć i aberracji. Najczęściej obecnie stosowanymi urządzeniami wykorzystującymi tę technikę są mikroskopy rentgenowskie, gdzie pierwotną falą propagacyjną jest spójne promieniowanie rentgenowskie. Wachlarz zastosowań jest niezmiernie szeroki i ważny m.in. dla współczesnej technologii materiałowej. Mikroskopy rentgenowskie są wykorzystywane do badania farb, chemicznego obrazowania baterii, obrazowania warstw ogniw słonecznych i innych materiałów hi-tech. Ptychografia w świetle widzialnym jest używana do badań biologicznych komórek, ich wzrostu, reprodukcji oraz ruchliwości. Dzięki ptychografii możliwy jest rozwój badań materiałów anizotropowych jak na przykład metapowierzchnie czyli cienkie warstwy materiałów z wzorami nanoskalowymi pozwalające manipulować padającym na nie światłem. Nie byłoby też współczesnej nanotechnologii i nanomateriałów bez obrazowania ptychograficznego.
Historia
Pionierem ptychografii jest Walter Hoppe, który w 1969 roku opisał jej założenia i podstawy teroretyczne. Celem Hoppego było badanie struktur krystalicznych. Niestety, nie doczekał realizacji swojej idei, a to z powodu niewystarczającej mocy obliczeniowej ówczesnych komputerów oraz słabej jakości detektorów. Koncepcja ptychografii została przez niego porzucona w 1973. Dopiero w późnych latach 90. XX wieku komputery dysponowały odpowiednią mocą i pamięcią pozwalającymi na przeprowadzenie zasobochłonnych obliczeń. Prawdziwy rozwój ptychografii jako techniki mikroskopowej rozpoczął się w 2007 roku, kiedy zademonstrowano iteracyjną ptychografię rentgenowską w Swiss Light Source, nowym synchrotronie w Instytucie Paula Scherrera w Szwajcarii.
Zobaczyć atom
Wiadomo, że klasyczna mikroskopia elektronowa pozwala “zobaczyć” atomy, a właściwie domyślić się ich położenia, bo jakość obrazu pozostawia wiele do życzenia. Więc o co ten szum? Otóż o to, że algorytmy ptychograficzne pozwalają pięciokrotnie poprawić rozdzielczość obrazu z soczewki elektronowej stosowanej w mikroskopach elektronowych. Pokazano to w 2012 roku, a w 2018 pobito rekord Guinnessa w rozdzielczości mikroskopu (rekord poprawiono w 2021).
Obrazy ptychograficzne są rekonstruowane praktycznie bezstratnie i jedynymi zniekształceniami obrazu atomu są drgania termiczne. Nowy (2021) matrycowy detektor pikseli mikroskopu elektronowego (EMPAD) oferuje rozdzielczość 1 pikometra (pm) czyli 10-12 metra. Wielkość atomu to rząd wielkości
10-10 metra czyli 100 pm. A więc można obserwować prawdziwy obraz prawdziwego atomu a nie tylko rozmytą plamkę. W dodatku w trzech wymiarach. Jest to technika, która już znajduje wiele zastosowań, między innymi w technologii półprzewodników, katalizatorów, materiałów kwantowych (komputery kwantowe).
Źródło [1] DOI 10.1038/s41586-018-0298-5 [5]
Rzeczywiste powiększenie mikroskopu zespołu naukowców z Cornell University pod kierownictwem Davida Mullera wynosi 100 milionów. Ciekawostką jest, że detektor EMPAD celowo rozmywa nieco wiązkę, aby poprawić rekonstrukcję cyfrową. [4]
Lepszą, ale tylko trochę, rozdzielczość można uzyskać schładzając próbkę. Jednakże nawet w temperaturze zera absolutnego występują fluktuacje kwantowe rozmazujące obraz, więc można powiedzieć, że osiągnięto fizyczną granicę mikroskopii, 100000000x. Być może postęp w wydajności komputerów i bardziej wydajne algorytmy, w tym algorytmy sztucznej inteligencji oparte na uczeniu maszynowym poprawią te wyniki.
Źródło: Jessie Winter dla Nature [1]
Opisana wyżej ptychografia bezsoczewkowa jest nazywana klasyczną. Technikę obrazowania za pomocą składania obrazu docelowego z obrazów cząstkowych za pomocą algorytmu z wykorzystaniem mikroskopu o standardowej optyce nazywamy ptychografią Fouriera. Dlaczego Fouriera? Ponieważ algorytmy obliczeniowe wykorzystują transformatę Fouriera do uzyskania obrazu o wysokiej rozdzielczości. Jedyną znaczącą zmianą jest zastąpienie standardowego oświetlenia oświetleniem szeregiem diod LED. Program rekonstruujący obraz badanego przedmiotu wykorzystuje algorytm iteracyjnego odzyskiwania fazy z szeregu obrazów dyfrakcyjnych. Współczynnik poprawy rozdzielczości w stosunku do obrazu analogowego z mikroskopu jest znaczący i wynosi 2, a jeśli stosuje się obrazy ciemnego pola to poprawa rozdzielczości jest jeszcze większa.
Można się spodziewać dalszego szybkiego rozwoju ptychografii gdyż jej zastosowania wpasowują się idealnie w kierunki rozwoju hi-tech, a postęp w wydajności komputerów nadal podlega prawu Moore’a. Nie zabraknie więc finansowania badań ani zapotrzebowania na tego typu urządzenia. Nawet ciekawostka w postaci uzyskania wyraźnych obrazów pojedynczych atomów i cząsteczek nie jest tylko ciekawostką ale furtką do zaawansowanej nanotechnologii i inżynierii materiałowej na poziomie atomowym.
Źródła:
1. https://www.nature.com/articles/d41586-018-07448-0?cid=2019-MS-AwarenessGeneral&utm_source=Comms-Blog&utm_medium=EM%20Blog&utm_campaign=2019-MS-AwarenessGeneral
2. https://pubs.aip.org/physicstoday/article-abstract/74/9/42/928275/Ptychography-A-solution-to-the-phase-problemFirst?redirectedFrom=fulltext
3. https://www.chip.pl/2021/05/atomy-ogladane-w-rekordowej-rozdzielczosci
5. https://www.thermofisher.com/blog/materials/breaking-barriers-in-sub-angstrom-resolution/
Ponieważ już kilka razy słyszałem, że ptychografia to 'dziwne’ lub 'śmieszne’ słowo, może warto wyjaśnić jego pochodzenie. Wywodzi się z poetyckiej, homeryckiej greki, gdzie πτύξ (l. mn. πτύχες) oznaczał 'fałd odzieży’ (a także 'warstwę, dolinę górską, element składanej konstrukcji’). Przymiotnik πολυπτύχος (polyptychos) oznaczał 'silnie pofałdowany, wielokrotnie złożony’, jak w homeryckim wyrażeniu πολυπτύχου Οὐλύμποιο (D l.poj.) 'Olimpu o wielu dolinach’. Oczywiście w przypadku ptychografii chodzi o składanie obrazów cząstkowych.
Bardzo szacowne słowo. Cóż, Walter Hoppe uzyskał wykształcenie w czasach, gdy „dobra klasyczna edukacja” była podstawą nawet dla przyszłego fizyka. Zresztą chyba nawet laicy znają słowa dyptyk, tryptyk, poliptyk '(obraz, ołtarz) złożony z 2, 3 lub wielu części’.
Notabene: po angielsku przedrostek ptycho- wymawia się [’taɪkəʊ] albo [taɪ’kɒ], zależnie od tego, gdzie pada akcent.
Niemiecka wymowa jest bardziej „ptysiowa”. Ptychografie – ptysiografie.
To zdjęcie atomów co konkretnie przedstawia?
Czarno białe? To kryształy dwusiarczku molibdenu, używanego w smarach, o strukturze sześciokątnej.
Dziękuję.