Rekordy (niekoniecznie) Guinnessa [2]

Zgodnie z obietnicą, druga część atomowych rekordów Guinnessa.

Najmniejsza zważona masa

Technika pomiaru masy (masy, nie ciężaru) ultramałych obiektów polega na pomiarze zmiany częstotliwości drgań mikrowspornika obciążanego badanym obiektem. Niestety nie nadaje się do ważenia obiektów żywych, komórek, bakterii, wirusów, ponieważ ważenie odbywa się w próżni. A właśnie biologia jest dziedziną, w której pomiary masy nanoobiektów są najbardziej pożądane. Z kronikarskiego obowiązku odnotuję więc, że naukowcy z Cornell University pod kierownictwem Harolda Craigheada zarejestrowali w 2004 roku masę 6 attogramów (1 attogram to 10-18 grama) wspomnianą metodą pomiaru zmiany częstotliwości wibracji wspornika po dodaniu mierzonej masy. Wymiary wspornika też są imponujące: 4 mikrometry na 500 nanometrów. Wibrację są wzbudzane laserowo lub za pomocą pola elektromagnetycznego. Pomiaru dokonuje się laserowo, obserwując światło odbite od wspornika (trampoliny). Minimalna, teoretycznie rozpoznawalna przez ten przyrząd masa wynosi 0,37 attograma. Dalsze udoskonalenia tej metody pozwalają mierzyć masy rzędu zeptogramów (10-21 grama).

Ryc. 1 Przyrząd do pomiarów skrajnie małych mas skonstruowany przez Craighead Group. Na końcu oscylatora wspornikowego wykonanego z azotku krzemu znajduje się złota kropka, na której umieszcza się ważony obiekt. Źródło: [1]

Jak wspomniałem, technika ta nie pozwala ważyć obiektów żywych. Naukowcy z MIT opracowali więc w 2007 roku metodę opartą również na zmianie częstotliwości drgań, ale drgająca płytka została dodatkowo wyposażona w kanalik wypełniony płynem, którym przepływają bakterie, komórki, a nawet wirusy. Jest to bardzo obiecująca metoda, umożliwiająca przeprowadzenie wartościowych pomiarów, na przykład w cytometrii przepływowej. Kierownik tego projektu – Scott Manalis napisał: “„…ważenie nanocząstek lub pojedynczych biomolekuł w roztworze z rozdzielczością, która jest o sześć rzędów wielkości bardziej czuła niż w tradycyjnych detektorach masy. Jednym z kierunków, do których dążymy, jest cytometria przepływowa oparta na pomiarze masy przepływających komórek”.
Konkretnym zastosowaniem tej techniki jest zbudowanie urządzenia działającego jak cytometr przepływowy do badania liczby komórek odpornościowych CD4 u chorych na AIDS, przekładającego się na ocenę zaawansowania choroby. Tradycyjne cytometry są duże i drogie i nie nadają się do stosowania w krajach rozwijających się, gdzie problem AIDS jest znaczący. Innym potencjalnym zastosowaniem tej metody jest pomiar wielkości nanokulek używanych w przemyśle farb, nowoczesnych lekach lub przemyśle materiałów nanokompozytowych. [2]

Ryc. 2 Opisany powyżej przyrząd do ważenia pojedynczych komórek, wirusów, bakterii (schematycznie). Widoczny jest umieszczony na drgającym wysięgniku kanalik, przez który przepływają badane obiekty. Źródło: Scott Manalis, MIT

Najszybciej obracający się obiekt

Wydawałoby się, że rekordowa liczba obrotów nie ma większego znaczenia naukowego. Mamy wiertarki szybkoobrotowe, silniki osiągające 10000 obrotów na minutę. Po co komu obiekt materialny obracający się z prędkością 300 miliardów obrotów na minutę? Taką właśnie prędkość obrotową nadali naukowcy z Purdue University pojedynczej nanocząstce. Dokonano tego za pomocą lasera, który “rozkręcił” krzemionkowe nanohantle do tej zawrotnej prędkości. Prędkość obrotowa i czułość obracającej się nanocząstki na moment obrotowy jest sednem naukowego zastosowania takiego układu fizycznego. Nie muszę dodawać, że rekord został pobity w próżni. Ale co to jest próżnia? Czy to tylko brak powietrza? Jest to tak zwana próżnia elektromagnetyczna, czyli brak ośrodka, który może spowolnić światło. Innym rodzajem próżni jest próżnia grawitacyjna, czyli brak jakiejkolwiek materii czy energii zdolnej do zaginania przestrzeni. Tej niestety nie potrafimy wytworzyć, nawet jej do końca nie rozumiemy, możemy więc tylko badać próżnię elektromagnetyczną. Czy w takiej próżni występuje tarcie? Teoretycznie tak, istnieje tarcie próżniowe spowodowane elektromagnetyzmem cząstek kwantowych, ale do tej pory nie udało się tego udowodnić doświadczalnie. Autorzy opisywanego eksperymentu twierdzą, że przy prędkości obrotowej 1 GHz tarcie próżniowe będzie wystarczająco duże a czułość wystarczająco wysoka, aby można było je zmierzyć.

Tu mała dygresja na temat pomiaru momentu obrotowego i jego czułości. Przy okazji – powtórka z fizyki (jakże lubimy niezapowiedziane kartkówki). Wartość stałej grawitacyjnej G wyznaczył pod koniec XVIII wieku (1798 rok) Henry Cavendish. Było to jak na owe czasy nie lada osiągnięcie, gdyż wartość tej stałej wynosi 6,67×10-11 niutona czyli baardzo mało. Cavendish zrobił to mierząc moment obrotowy za pomocą tzw. wagi skręceń. Na nici kwarcowej zawiesił poziomo pręt z dwiema małymi kulkami na jego końcach. Do kulek tych zbliżał z obu stron dwie duże kule ołowiane. Siły przyciągania kul skręcały nić kwarcową o pewien kąt, który Cavendish zmierzył za pomocą promienia światła odbitego od lusterka przymocowanego do nici.

Ryc 3. Waga skręceń Cavendisha. Źródło: Politechnika Warszawska, Wydział Fizyki, licencja: CC BY 4.0

Na koniec naj, naj, największe osiągnięcie naukowe wszech czasów

Mowa o artykule naukowym, który pobił rekord największej liczby autorów. Liczba autorów pierwszego wspólnego artykułu dwóch zespołów pracujących z detektorami ATLAS i CMC w Wielkim Zderzaczu Hadronów wynosi 5154. 33-stronicowy artykuł w Physical Review Letters z 14 maja 2015 składa się z 9 stron treści opisującej badanie i 24 stron listy autorów i ich macierzystych instytucji. Tematem badania było dokładniejsze oszacowanie masy bozonu Higgsa.

Kolaboracja współautorska jest dynamicznie rozwijającą się dziedziną nauki. Artykuł w Nature na temat rozpadu rzadkich cząstek miał ponad 2700 autorów, artykuły na temat genomiki często mają ponad 1000 autorów. Blaise Cronin, naukowiec z Indiana University Bloomington nazwał to zjawisko hiperautorstwem. Pierwszy artykuł opisujący obserwacje bozonu Higgsa z 2012 roku miał 2932 autorów (z których 21 uznano za zmarłych). Artykuł opublikowany w 2008 roku na temat eksperymentu CMS w LHC, stał się pierwszym artykułem, który znalazł się na ekskluzywnej “liście 3000”.

Trochę szkoda, że rekordy w tej dziedzinie są bite tylko w renomowanych światowych instytucjach badawczych. Nasze krajowe podwórko jest otwarte dla tego typu inicjatyw, które w dodatku są niskokosztowe. Wystarczy nieco dobrej woli szefa projektu, aby zespół rozrósł się z kilku do nawet paruset osób. Jasne jest jednak, że o tysiącach nie mamy co marzyć, na taką ekstrawagancję mogą sobie pozwolić tylko uniwersytety z czołówki Listy Szanghajskiej i, co oczywiste, inicjatywy ponadnarodowe w rodzaju LHC.

Źródła:

  1. https://news.cornell.edu/stories/2004/04/building-scale-sensitive-enough-weigh-virus
  2. https://news.mit.edu/2007/nanoparticles

Atomowe rekordy Guinnessa (1)

Popularność wpisu Zobaczyć atom i… oraz zamieszczona w nim wzmianka o zespole Davida Mullera z Cornell University, który skonstruował mikroskop o niewyobrażalnym powiększeniu 100 milionów razy stały się inspiracją do podjęcia „wakacyjnego” tematu rekordowych osiągnięć technicznych w kategorii „naj…”. Nie są to tylko rekordy w znaczeniu medialnej sensacji, ale przykłady wykorzystania nauki do przesuwania granic ludzkich możliwości poznania. Niektóre z nich są efektem wieloletnich wysiłków dużych zespołów oraz jeszcze większych pieniędzy. Inne są dziełem czystego przypadku.

Ultracienkie szkło

Grafen to dwuwymiarowa odmiana alotropowa węgla o grubości jednego atomu o strukturze sześciokątnej siatki (ang. chicken wire). Teoretyczny opis grafenu pochodzi z 1947 roku, praktyczna realizacja z 2004. Prace nad grafenem trwają nadal, a ich celem jest poprawa czystości, wielkości oraz obniżenie kosztów jego produkcji.
Przy okazji badań nad grafenem zespół znanego już nam Davida Mullera, pracując nad nowymi technologiami produkcji, wytworzył w 2012 roku przypadkowo najcieńsze szkło, grubości jednej cząsteczki dwutlenku krzemu. „Wypalając” w piecu kwarcowym warstwę grafenu, w wyniku nieszczelności pieca i przedostania się powietrza do jego wnętrza, zauważono „zabrudzenie”, które po zbadaniu okazało się dwutlenkiem krzemu czyli zwykłym szkłem. Szkłem o grubości jednej cząsteczki. Odkrycie to pozwoliło zbadać pod mikroskopem elektronowym strukturę atomową szkła i potwierdzić teorię Williama Houldera Zachariassena z 1932 roku mówiącej, że szkło nie ma struktury regularnej, krystalicznej, a jest w pewnym sensie amorficzną, zestaloną bez krystalizacji cieczą. Zaobserwowane rozmieszczenie atomów szkła potwierdziło diagramy Zachariassenna. „Po raz pierwszy udało się zobaczyć układ atomów w szkle” – to słowa Mullera. Bardzo prawdopodobne, że odkryte przypadkowo ultracienkie dwuwymiarowe szkło znajdzie zastosowanie w mikroelektronice jako superizolator w ścieżkach układów scalonych, zwiększając ich stopień miniaturyzacji i wydajność. [1]

Ryc. 1 Po prawej widok najcieńszego szkła w oku mikroskopu elektronowego. Po lewej wizualizacja. Wyraźnie widoczna struktura amorficzna. Źródło: Kavli Institute at Cornell dla Nanoscale Science

Najkrótszy zmierzony czas

W dziedzinie precyzji pomiaru czasu wyścig trwa od lat. Jedna z nagród Nobla została przyznana w tej właśnie dyscyplinie. W 1999 Ahmed Zewail zmierzył laserowo szybkość tworzenia wiązań chemicznych poprzez obserwację zmiany kształtu cząsteczek. Czasy te są rzędu femtosekund (10-15 sekundy), a nowa dziedzina nauki została nazwana femtochemią.
Naukowcy z Uniwersytetu Goethego pobili rekord Zewaila o wiele rzędów wielkości, konkretnie cztery. Zmierzone przez nich czasy mierzy się w zeptosekundach, tryliardowych częściach sekundy (10-21 sekundy).

Ryc. 2 Schemat i zasada pomiaru zeptosekundowego. Foton (żółty, z lewej strony) wzbudza fale elektronów (szary) cząsteczki wodoru (czerwony punkt: jądro), które interferują ze sobą (wzór interferencji: fioletowo-biały). Wzór interferencji jest przesunięty lekko w prawo, co pozwala obliczyć czas przejścia światła z jednego atomu do drugiego. Żródło: [2]

Zmierzony przez fizyków czas przejścia fotonu przez cząsteczkę wodoru wynosi 247 zeptosekund. Foton o odpowiedniej energii wyrzucony ze źródła rentgenowskiego uderzył najpierw w pierwszy atom wodoru wyrzucając z niego elektron (zachowujący się jak fala), a następnie z drugiego atomu wodoru. Powstałe fale elektronowe wytworzyły wzory interferencyjne, obserwowane w bardzo czułym mikroskopie reakcyjnym COLTRIMS, który zarejestrował zarówno wzór interferencji, jak i pozycję cząsteczki wodoru podczas całej interakcji. Pomiaru dokonano mierząc kąt odchylenia prążków interferencyjnych. O zaawansowaniu zastosowanych metod pomiarowych świadczą słowa Svena Grundmanna, współautora badań z Uniwersytetu w Rostocku „Ponieważ znaliśmy orientację przestrzenną cząsteczki wodoru, wykorzystaliśmy interferencję dwóch fal elektronowych, aby dokładnie obliczyć, kiedy foton dotarł do pierwszego, a kiedy do drugiego atomu wodoru”. [2][7]

Laser impulsowy o najwyższej mocy

Pionier techniki laserowej profesor Gerard Mourou otrzymał Nagrodę Nobla (2018) za skonstruowanie lasera impulsowego o największej jak na owe czasy mocy impulsu. Dokładniej – połowę nagrody bo druga połowa powędrowała do Arthura Ashkina, badacza z Bell Laboratories – znanej „fabryki wynalazków”. Posłużył do tego laser „ćwierkający”, Chirped Pulse Amplification (CPA) wykorzystujący wyrafinowaną technikę wzmacniania ultrakrótkiego impulsu laserowego do mocy rzędu petawatów. Peta to przedrostek oznaczający kwadrylion czyli 1015.
Krótki impuls laserowy stosunkowo niewielkiej mocy jest „rozciągany” w czasie o czynnik 1000-100000 za pomocą siatek dyfrakcyjnych, następnie wzmacniany i za pomocą drugiego układu siatek dyfrakcyjnych „ściskany” do pierwotnej długości. Rozciąganie impulsu przed wzmocnieniem zapobiega zniszczeniu układów optycznych w fazie wzmacniania. Schemat ilustrujący tę ideę jest pokazany na Ryc. 3.

Ryc. 3 Zasada działania Chirped Pulse Amplification (CPA). Public Domain

Spektrum możliwych zastosowań laserów CPA jest ogromne, od fizyki cząstek elementarnych i syntezy jądrowej po medycynę i ultraprecyzyjną obróbkę materiałów. Jako ilustrację gigantycznej gęstości mocy tego lasera można użyć porównania do skupienia całego promieniowania słonecznego padającego na Ziemię (za pomocą hipotetycznej gigantycznej soczewki) na pojedynczym ziarnku piasku. [3]

Księga Rekordów Guinnessa odnotowuje lasery petawatowe o większej mocy niż laser profesora Mourou. Jeden działa w ELI-Nuclear Physics w Măgurele w Rumunii i składa się z pary laserów o sumarycznej mocy 20 petawatów (2019). Drugi, o mocy 10 petawatów, znajduje się w ośrodku badawczym ELI-Beamlines w miejscowości Dolní Břežany w Czechach. Należy też wspomnieć o systemie o nazwie „Station of Extreme Light”, laserze o mocy 100 petawatów, który ma zostać uruchomiony w 2023 roku w Shanghai Superintense Ultrafast Laser Facility w Chinach. [8]

Największy kot Schrödingera

Ten tytuł to nie żart, co najwyżej wyrafinowana przenośnia. Kot Schrödingera to eksperyment myślowy z dziedziny fizyki kwantowej, w którym dany kot jest jednocześnie żywy i martwy, w zależności od stanu kwantowego atomu, którego rozpad powoduje uwolnienie trucizny zabijającej rzeczonego kota.
Naukowcy z ETH w Zurichu wprowadzili w stan superpozycji kwantowej szafir o wadze 16 mikrogramów. To wbrew pozorom bardzo dużo, taka ilość materii zawiera 1017 (sto biliardów) atomów. Atomy kryształu zostały wzbudzone a następnie połączone z układem nadprzewodzącym, odpowiednikiem kubitu (bitu informacji kwantowej). Mała dygresja: zawartość informacyjna kubitu to jednocześnie 0 i 1 czyli superpozycja dwóch stanów kwantowych. Następnie superpozycja kubitu została przeniesiona na oscylacje kryształu. W efekcie wszystkie atomy kryształu szafiru oscylowały jednocześnie w obu kierunkach, zupełnie jak w przypadku kota Schrödingera.
Osiągnięcie fizyków z ETH może być bardzo przydatne w pracach nad komputerami kwantowymi, zwłaszcza do korekcji błędów i stabilności kubitów.

  • ETH to najlepsza uczelnia techniczna w Europie. Jeśli macie skojarzenia tej uczelni z Albertem Einsteinem, Wilhelmem Konradem Roentgenem, Wolfgangiem Paulim, Niklausem Wirthem (język Pascal) czy Fritzem Haberem (niestety) to nie mylicie się. Na ETH studiował i pracował późniejszy prezydent RP Gabriel Narutowicz, był nawet dziekanem. [4] [5]
Ryc. 4 Kot Schrödingera staje się coraz większy. Źródło: [5]

Najwyższe ciśnienie (statyczne)

770 Gigapaskali (GPa). Takie ciśnienie, dwukrotnie wyższe od ciśnienia panującego w jądrze Ziemi, wytworzyli naukowcy z Uniwersytetu w Bayreuth (Niemcy). I nie zrobili tego tylko dla wpisu w Księdze Rekordów Guinnessa. Badali osm, zadziwiający swoimi właściwościami pierwiastek z triady platynowców ciężkich. Nazwa osm pochodzi od greckiego osme – zapach. Dlaczego osm = zapach? Przecież to metal, metale nie pachną.
Osm nie zmienia swojej struktury krystalicznej nawet przy najwyższych ciśnieniach. Ale czy aby na pewno nie zmienia? Jest też pierwiastkiem o najwyższej gęstości, ma najwyższą energię kohezji (odporności na „kawałkowanie”), najwyższą temperaturę topnienia i jeden z najniższych współczynników ściśliwości, porównywalny z diamentem.
Tak wysokie ciśnienie uzyskano za pomocą mikrokowadeł wykonanych z nanokrystalicznych diamentów o wielkości 10 mikrometrów (10-6 metra) o twardości wyższej niż normalne kryształy diamentu.

  • osm, na spółkę z wolframem, ma udział w sukcesie merketingowym pewnej dużej firmy z branży elektrotechnicznej. Której?
Ryc. 5 Schemat komory ciśnieniowej z kowadłem diamentowym. Próbka osmu ma zaledwie 3 mikrony i znajduje się pomiędzy dwiema półkulami wykonanymi z nanokrystalicznego diamentu. Źródło: [6]

Wszystkie te rekordy mają jedną wspólną cechę – dotykają struktur atomowych i zjawisk kwantowych z nimi związanych. Docieramy do granic poznania, badamy zjawiska ekstremalne i potrafimy również ekstremalne warunki tworzyć. W następnej części kolejne rekordy, między innymi pochodzące z Wielkiego Zderzacza Hadronów LHC.

Praca domowa: nauczyć się przedrostków, bo zepto- to chyba nie znaliście.

c.d.n.

Źródła:

  1. https://www.sciencedaily.com/releases/2013/09/130912095241.htm
  2. https://aktuelles.uni-frankfurt.de/en/english/physics-zeptoseconds-new-world-record-in-short-time-measurement/
  3. https://record.umich.edu/articles/u-m-professor-emeritus-shares-2018-nobel-prize-physics/
  4. https://www.scientificamerican.com/article/physicists-create-biggest-ever-schroedingers-cat/
  5. https://ethz.ch/en/news-and-events/eth-news/news/2023/04/fat-quantum-cats.html
  6. https://cosmosmagazine.com/science/physics/scientists-create-record-pressure-in-a-lab-twice-that-of-the-earths-core/
  7. https://www.livescience.com/zeptosecond-shortest-time-unit-measured.html
  8. https://www.guinnessworldrecords.com/world-records/358832-most-powerful-laser

Zobaczyć atom i…

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.

Ryc. 1 Zasada działania ptychografii. Licencja GNU Free Documentation License

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).

Ryc. 2 Obraz cząsteczek dwusiarczku molibdenu MoS2 w “niskich” rozdzielczościach oraz rozdzielczości 0,39 angstrema (Å) pozwalającej zaobserwować puste, widmowe miejsce po atomie siarki.
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]

Ryc. 3 Zdjęcie atomów ortoskandanu prazeodymu (PrScO3) wykonane za pomocą ptychografii elektronowej. Źródło: Cornell University [3]

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.

Ryc. 4 David Muller i jego mikroskop elektronowy z dopalaczem EMPAD.
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

4. https://www.focus.pl/artykul/naukowcy-sfotografowali-atomy-w-rekordowej-rozdzielczosci-czy-to-limit-obrazowania

5. https://www.thermofisher.com/blog/materials/breaking-barriers-in-sub-angstrom-resolution/