O físico da UCLA, John Miao, foi o pioneiro em uma nova forma de microscopia com precisão e campo de visão sem precedentes
Principais conclusões
- A microscopia computacional avançou rapidamente no último quarto de século, permitindo aos pesquisadores visualizar o que é extremamente pequeno e ultrarrápido, aplicando algoritmos avançados para interpretar padrões de dispersão de fótons e elétrons.
- O físico da UCLA, John Miao, desempenhou um papel pioneiro no desenvolvimento do método fundamental que definiu e impulsionou este campo transformador.
- Em um raro artigo de revisão de um único autor, Miao fornece o primeiro levantamento abrangente da microscopia computacional e do potencial para avanços futuros, como a determinação das estruturas atômicas tridimensionais de elementos pequenos, mas importantes, incluindo carbono, nitrogênio e oxigênio.
Em 1999, o então estudante de graduação Jianwei “John” Miao e seus colegas da Universidade Estadual de Nova York, Stony Brook, demonstraram que um algoritmo computacional, combinado com padrões de fótons dispersos, poderia revelar detalhes minúsculos antes impossíveis de capturar com microscópios convencionais. .
Com base em um método estabelecido para determinar estruturas atômicas chamado cristalografia de raios X, eles expandiram sua aplicação para estruturas que não possuem os padrões repetitivos e uniformes encontrados nos cristais. O algoritmo reconstrói imagens a partir de padrões de difração – o arranjo de feixes eletromagnéticos depois de serem dobrados e espalhados à medida que passam pelas amostras. Esta técnica diverge da microscopia tradicional ao combinar difração e computação para substituir efetivamente a lente objetiva.
Se você imaginar os microscópios como hardware de computador, a abordagem de Miao é o “aplicativo matador” que libera todo o seu potencial. Nos últimos 25 anos, os cientistas integraram esta abordagem em diferentes tipos de microscópios, impulsionando o campo da microscopia computacional para alcançar resolução e precisão incomparáveis e para capturar os campos de visão mais amplos até agora nas amostras sob investigação. Esses avanços levaram a novos insights sobre a estrutura e o comportamento de catalisadores, supercondutores, chips de computador e baterias e materiais da próxima geração.
Miao, professor de física e astronomia no UCLA College, foi o autor da primeira revisão abrangente da microscopia computacional. – um periódico importante que raramente apresenta tais revisões de um único autor – seu artigo destaca desenvolvimentos inovadores na área, apresenta aplicações multidisciplinares e delineia direções futuras.
Para ele, a busca por descobrir conhecimentos fundamentais através de avanços na microscopia reflete a filosofia de um dos seus pensadores favoritos, o filósofo holandês do século XVII, Baruch Spinoza.
“Spinoza encontrou a felicidade suprema ao descobrir a verdade na natureza”, disse Miao, que é membro do California NanoSystems Institute da UCLA. “Essa filosofia está sempre em minha mente. Cada um de nós tem apenas uma vida para viver, e estou comprometido em buscar a verdade e resolver problemas científicos profundos.”
Na maioria das formas de microscopia – seja usando luz visível, raios X, elétrons ou outros tipos de radiação – as ondas do feixe interagem à medida que passam através de uma amostra. Essas ondas podem interferir fora de fase, anulando-se, ou em fase, amplificando sua intensidade.
A chave para a microscopia computacional reside no desbloqueio das informações de fase, que fornecem uma representação muito mais rica de uma amostra do que apenas as medições de intensidade. No entanto, a fase não pode ser medida diretamente. O método de Miao inovou ao extrair informações de fase de padrões de difração com um algoritmo computacional iterativo. Este algoritmo alterna centenas a milhares de vezes entre a análise de uma amostra e a análise das ondas usadas para sondá-la.
Seu artigo de revisão concentra-se em dois métodos de microscopia computacional intimamente relacionados: imagem difrativa coerente, ou CDI, e pticografia (com um “p” silencioso na frente).
O CDI usa um feixe coerente altamente sincronizado para analisar um único padrão de difração, permitindo capturar eventos que ocorrem em milionésimos de bilionésimo de segundo. Com base na base do CDI, a pticografia moderna foi introduzida em 2007, utilizando um algoritmo computacional iterativo para reconstruir imagens a partir de múltiplas medições de difração sobrepostas. Embora mais lenta que o CDI, a pticografia produz detalhes minuciosos em um campo de visão maior e pode corrigir imperfeições no feixe.
Além de detalhar os avanços nas próprias técnicas, a revisão destaca novas fronteiras abertas pela microscopia computacional, com aplicações abrangendo uma ampla gama de disciplinas científicas.
Os pesquisadores usaram CDI e pticografia para revelar estruturas biológicas complexas, capturar fenômenos magnéticos e quânticos em escalas de tempo ultrarrápidas e conduzir inspeções tridimensionais e não destrutivas de microchips de última geração. Essas técnicas também permitem a observação em tempo real das baterias da geração futura à medida que são carregadas. Em sua própria pesquisa, Miao adaptou esta abordagem algorítmica para microscópios eletrônicos avançados sem examinar a difração para alcançar um avanço: o primeiro mapeamento atômico tridimensional de materiais amorfos, que não possuem as estruturas ordenadas e repetidas típicas dos cristais.
Miao espera que o alcance crescente e a versatilidade da microscopia computacional levem a avanços significativamente maiores. Ele e outros pesquisadores estão investigando como a inteligência artificial pode acelerar a extração de informações de fase dos padrões de difração, com o objetivo de fornecer aos cientistas visualizações em tempo real dos fenômenos que estudam. Miao também espera
microscopia computacional avançando para determinar as estruturas atômicas tridimensionais de materiais de alta tecnologia, incluindo elementos como carbono, nitrogênio e oxigênio, que tradicionalmente têm sido difíceis de obter imagens no nível de um único átomo.
“Física, química, ciência dos materiais, nanociência, geologia, matemática aplicada, engenharia, ciências da vida – todos os campos serão beneficiados”, disse Miao. “O futuro é interdisciplinar. A própria natureza não separa as disciplinas científicas; o melhor caminho para a verdade é seguir a natureza.”
Na revisão, Miao reconhece o apoio da National Science Foundation – incluindo do STROBE, um Centro de Ciência e Tecnologia da NSF para o qual atua como vice-diretor – do Departamento de Energia, do Escritório de Pesquisa Científica da Força Aérea e do Escritório de Pesquisa do Exército dos EUA.
