日本实现纳米级物质的变形三维可视化

中国粉体网讯　　日本九州大学、SYSTEM IN FRONTIER公司（SIF）、大阪大学、筑波大学于2016年6月14日宣布，开发出了在可以观察纳米（nm）级细胞和物质的透射电子显微镜（TEM）内，一边使物质发生拉伸和压缩变形，一边以时间序列拍摄三维图像的“现场变形电子束断层扫描系统（实时ET系统）”。

SATO holder的外观及试样台部分的放大照片（图片来自九州大学的发布资料） （点击放大）	集成控制应用软件的画面（图片来自九州大学的发布资料） （点击放大）

近年来，在材料科学和生命医科学领域，利用计算机处理多角度拍摄的TEM图像、能够三维观察nm级物体的电子束断层扫描（ET）成为了关注的焦点。而另一方面，构建1幅三维图像一般需要约50～150幅连续倾斜图像，记录图像数据需要30分钟到1个小时，所以在观察活动的物体及现象时，基本没有采用这种方法。

这次开发的系统主要由3项技术组成。第1项是“现场变形断层扫描试样架（Straining-And-Tomography（SATO）holder）”，能在TEM内将试样以纳米尺度拉伸或压缩变形，同时使其倾斜60度以上。能在应变率为10-4～10-6/s的范围，实现最小位移为1nm的超微变形。

锡铅焊料合金的连续倾斜图像（图片来自九州大学的发布资料） （点击放大）	连续倾斜图像重叠显示试样试样变形的情况（图片来自九州大学的发布资料） （点击放大）

第2项技术“集成控制应用软件”的作用是，使SATO holder中的试样在TEM内保持微小变形后的状态倾斜，在不到3分钟的时间内，记录重建三维图像需要的单帧连续倾斜图像。“试样变形”与“高速连续倾斜图像记录”可以在同一软件上自动重复进行，能够以不到3分钟为间隔，每小时连续记录20多帧nm级试样变形过程的三维图像。

“TEMography”是重建三维静止图像及其组成的三维动态图像的软件。通过开发使用压缩传感的新算法（ISER），在连续倾斜图像数量少、图像含有噪声的情况下，也能正确重建物体实际的三维形态。

在验证实验中，研究人员将薄膜状的锡铅焊料合金试样放入SATO holder，在TEM内以10～1000nm的位移反复施加拉伸力，以试样重复发生塑性变形（严格来说是弹塑性变形）和断裂所形成的约1μm宽的绳状区域为对象，在不到2分钟的时间里，记录了共计49幅连续倾斜图像。证明通过这种方法，可以获得微细凹凸的立体图像。而且，通过分阶段拉伸变形，对同一位置进行连续倾斜观察，还清晰地捕捉到了试样形态发生变化的情况。

相关技术将于2017年3月之前完成开发，由SIF销售产品。本次研究成果已在2016年6月14～16日于仙台国际中心举办的“日本显微镜学会第72次学术演讲会”上发布。