美国国家标准技术研究院(NIST)的研究人员及其合作者已经开发出一种方法，可以改造透射电子显微镜(一种用于制作清晰的显微图像的长期科学力量)，以便它还可以制作高质量的超级电影。 -快速的原子和分子过程。通过与旧的和新的电子显微镜兼容，该翻新有望通过使这种电影摄制功能更广泛地应用于世界各地的实验室，从而使您能够洞悉从显微镜机器到下一代计算机芯片和生物组织的所有事物。

NIST科学家June Lau说：“我们希望能够观察到材料科学中很快发生的事情。” 她在《科学仪器评论》(Review of Scientific Instruments)杂志上与同事们一起报告了这种改进设计的首次概念验证操作。该团队将改造设计为现有仪器的经济高效的附加组件。她说：“这预计将是新型电子显微镜成本的一小部分。”

电子显微镜是一项已有近100年历史的发明，在许多科学实验室中仍然是必不可少的工具。流行的版本称为透射电子显微镜(TEM)，它可以通过目标样品发射电子以产生图像。现代版本的显微镜可以将物体放大多达五千万倍。电子显微镜有助于确定病毒的结构，测试计算机电路的运行并揭示新药的有效性。

Lau说：“电子显微镜可以在原子尺度上观察非常小的物体。” 她说：“它们很棒。但是从历史上看，它们只关注时间固定的事物。它们不善于观察移动的目标。”

在过去的15年中，激光辅助电子显微镜使视频成为可能，但是这种系统非常复杂且昂贵。虽然这些设置可以捕获持续时间从纳秒(十亿分之一秒)到飞秒(十亿分之一秒)的事件，但是实验室通常必须购买更新的显微镜来适应这种能力以及专用激光器，而总投资可以花费数百万美元 实验室还需要内部激光物理学专业知识来帮助建立和操作这种系统。

刘说：“坦率地说，并不是每个人都有这种能力。”

相反，通过使用相对简单的“ 光束斩波器” ，改造可使任何年龄的TEM都能在皮秒级(万亿分之一秒)的范围内制作高质量的电影。原则上，光束斩波器可用于任何制造商的TEM。要安装它，NIST研究人员在电子源正下方打开显微镜柱，插入光束斩波器，然后再次关闭显微镜。Lau和她的同事已成功改装了三种不同功能和年份的TEM。

像频闪仪一样，该光束斩波器释放出精确定时的电子脉冲，可以捕获重要的重复或循环过程的帧。

劳说：“想象一下摩天轮，它以周期性和可重复的方式运动。” “如果我们使用针孔相机进行记录，它看起来会模糊。但是我们希望看到个别的汽车。我可以在针孔相机前面放置一个快门，以使快门速度与车轮的运动相匹配。我们可以只要指定的汽车到达顶部，百叶窗就会打开。这样，我就可以制作一堆图像，显示每辆汽车在摩天轮的顶部。”

像光闸一样，斩波器会中断连续的电子束。但是，与具有可打开和关闭的光圈的百叶窗不同，该光束光圈始终保持打开状态，从而无需复杂的机械零件。

金(Au)纳米粒子的透射电子显微镜(TEM)图像被连续电子束(左)和脉冲束(右)放大了200,000倍。规模为5纳米(nm)。图片来源：NIST

而是，光束斩波器在电子束的方向上产生射频(RF)电磁波。Lau说，该波使行进的电子表现出“像软木塞在水波的表面上上下摆动”的行为。

骑着这个波，电子在接近孔径时遵循波状路径。除了与孔径完全对准的电子外，大多数电子都被阻挡了。射频波的频率是可调的，因此电子每秒可撞击样品4000万至120亿次。结果，研究人员可以约10纳秒至10皮秒的时间间隔捕获样品中的重要过程。

这样，经过NIST改装的显微镜可以捕获微型机械(如微机电系统(MEMS)和纳米机电系统(NEMS))中来回运动的原子级细节。它可以潜在地研究用于高速通信的天线中规则重复的信号，并探测下一代计算机处理器中的电流运动。

在一个演示中，研究人员希望证明改装后的显微镜的功能与改装前相同。他们以传统的“连续”模式和脉冲束模式对金纳米颗粒成像。脉冲模式下的图像具有与静态图像相当的清晰度和分辨率。

Lau说：“我们对其进行了设计，因此应该相同。”

光束斩波器还可以执行双重任务，将射频能量泵入材料样本中，然后为结果拍照。研究人员通过将微波(一种无线电波形式)注入金属的梳状MEMS器件来证明这种能力。微波在MEMS器件内产生电场，并导致电子的入射脉冲发生偏转。这些电子偏转使研究人员能够制作通过MEMS梳传播的微波的电影。

Lau和她的同事们希望他们的发明能够很快取得新的科学发现。例如，它可以研究分子级存储设备中迅速变化的磁场的行为，这些设备有望存储比以前更多的信息。

研究人员花了六年的时间开发和开发了他们的光束斩波器，并因其工作获得了多项专利和R&D 100奖。该工作的共同作者包括纽约阿普顿的布鲁克海文国家实验室和伊利诺伊州博灵布鲁克的欧几里得技术实验室。

使Lau感到最自豪的一件事是，他们的设计可以为任何TEM注入新的活力，包括执行最新演示的25年历史的部门。NIST的设计使各地实验室都可以使用显微镜捕获明天材料中重要的快速移动过程。

刘说：“使科学民主化是整个动机。”