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日本实现纳米级物质的变形三维可视化

日经技术在线 2016/6/17 09:54:03 点击 1987 次

导读 日本校企联合研究,开发出了了在可以观察纳米(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)”。

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。


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