Program pro elektronový mikroskop s atomárním zdrojem umožňující provádět chemické reakce

Rozšíření běžného elektronového mikroskopu o atomární zdroj umožňuje ne jen pasivní zobrazování vzorků, ale i monitorování dynamických chemických reakcí naživo. Jde v podstatě o malou laboratoř v mikroskopu, kde je možné sledovat oxidační a redukční procesy, což otevírá nové možnosti v materiálovém výzkumu a katalýze.

Standardní elektronový mikroskop nabízí podstatně vyšší rozlišení než optický mikroskop, ale pozorování probíhá ve vakuu a vyžaduje velmi čisté vzorky. Pro zkoumání se používají záporně nabité elektronové či kladně nabité iontové svazky, které doposud umožňovaly sledovat zejména oxidační reakce kvůli existující zbytkové atmosféře s kyslíkem. S novým přístupem se střídavě dopouští kyslík a atomární vodík generovaný zdrojem, aby šlo pozorovat průběh redukčních reakcí.

Experimenty s redukcí byly prováděny na niklu a mědi, kovových katalyzátorech s cílem zlepšit katalytické procesy. Monitorování probíhá v přímém přenosu a umožňuje posuzovat katalytické kroky na povrchu reálných katalyzátorů, což dosud nebylo možné. Prototyp vyvíjeli výzkumníci spolu s experty na elektronovou mikroskopii z Thermo Fisher Scientific; zařízení nyní vyžaduje optimalizaci a hledání dalších praktických aplikací.

Podle představitelů projektu má nové řešení uplatnění v materiálovém výzkumu, například při čištění zoxidovaného povrchu zkoumaných kovů. Kdykoliv radi metalurgista potřebuje zjistit složení slitiny, může provést čištění zoxidovaného povrchu přímo v mikroskopu. Software hraje klíčovou roli a je považován za budoucnost elektronové mikroskopie a spektroskopie, umožňující precizně ovládat složitý hardware a zpracovávat obraz, analyzovat strukturu, složení a tvar vzorků.

Softwarová řešení otevírají elektronovou mikroskopii širšímu okruhu uživatelů. Díky pokročilé automatizaci a metodám strojového učení jsou přístroje snazší na obsluhu, ale zároveň dosahují lepších výsledků. Programátoři se podílí na vývoji špičkových zařízení za miliony dolarů a konzultují výsledky s fyziky, optiky, elektroniky a aplikačními specialisty.

Ve Firemním prostředí Thermo Fisher Scientific se používá jazyk C++ pro rychlost a kontrolu s pamětí a embedded řešení. Oblasti zahrnují ovládání hardware, optimalizaci, modelování fyzikálních procesů a firmware. C++ je klíčové pro propojení různých vrstev softwaru, od firmwaru přes backend až po GUI. Pro vizuální uživatelské rozhraní a práci s obrazem se často používá C#; aplikace však nejsou webové ani databázové, ale slouží k otevírání vaku, ovládání vzorku a zajištění kroků v komoře.

V průběhu vývoje software je důležité zajistit kompatibilitu s dalšími technologiemi jako Git, Docker, gRPC, Kubernetes či Blazor. Python se pak používá k urychlení práce uživatelů a zjednodšení procesu nastavení šošovek, přípravy elektronového svazku a automatizace. Vzdálené testování a automatizace se stávají standardem a dopyt po nich každým rokem roste, což umožňuje vyvíjet a testovat software na mikroskopech před uvedením na trh.

AutoTEM představuje samostatný systém pro automatizovanou přípravu vzorků pro TEM, který využívá DualBeam SEM a iontový svazek k vyřezání lamel tenkých 100 nanometrů. Workflow je konfigurovatelný: uživatel definuje počet lamel, jejich typ a umístění, a lamely se poté automaticky navaří na grid. Jednotlivé lamely jsou připraveny pro přepravu mezi zařízeními a proces je zcela automatizován, což značně šetří čas a zvyšuje kvalitu vzorků.

Historie a současnost Brna v oblasti elektronové mikroskopie ukazují na dlouhodobé know-how a významné výrobce, jako Thermo Fisher Scientific, Tescan a Delong Instruments, kteří ročně vyrobí kolem 700 mikroskopů. Základní princip elektronového mikroskopu spočívá v tom, že elektronový svazek nahrazuje světlo a elektrony nahrazují optické čočky, což umožňuje výrazně vyšší rozlišení a potenciál pro atomární rozlišení. U TEM prochází elektrony vzorkem a je vyžadováno tenké uspořádání vzorku; u SEM se naopak zobrazuje povrch vzorku s vysokou hloubkou ostrosti a velkým zvětšením.

Praktické aspekty zahrnují také průřezovou analýzu, morfologii a chemickou mikroanalýzu (EDS, WDS), které se používají spolu s difrakcí a mikroskopickými detekčními systémy pro určování struktury a fázového složení materiálů. Laboratoře vysoce spoléhají na přípravu vzorků pro elektronovou i optickou mikroskopii a spolupráce zahrnuje široké spektrum aplikací v medicíně, výzkumu nových léčiv, archeologii, kriminalistice a leteckém průmyslu. Historicky od roku 1947, kdy do Československa přišly první elektronové mikroskopy, se rozvíjí české know-how až po dnešní širokou nabídku servisů a řešení.

Optický mikroskop pracuje se světlem a má omezenou rozlišovací schopnost kolem 200 nm fyzikální mez, zatímco elektronové mikroskopy pracují s elektrony a dosahují mnohem vyššího zvětšení až po milion krát; proto se elektrony používají pro TEM i SEM s rozdílnými principy zobrazení.

Rastrovací elektronová mikroskopie (SEM) poskytuje vysokou hloubku ostrosti a povrchový obraz vzorku, zatímco prozařovací TEM umožňuje průchod elektronů skrz vzorek a vyžaduje tenké vzorky a vysoké energie. Doplňujícími metodami jsou AFM a STM, které se zaměřují na mapování atomárních sil a tunelovacího proudu pro dosažení atomárního rozlišení bez náročné přípravy vzorku. STM využívá kvantovou tunelaci mezi hrotem a vzorkem a je schopná poskytnout až atomární rozlišení, což je výjimečné mezi SPM technikami.

V kontextu vývoje a implementace softwaru pro mikroskopii se zdůrazňuje důležitost analýzy obrazů, korelativní mikroskopie a integrace s různými typy detektorů a spektrometrů. Projekty popisované v textu spojují hardware, software a vědecké poznatky pro novátorské postupy, které mají dopad na průmysl a vědecký pokrok.

Automatizace a strojové učení zrychlují a zjednodušují práci uživatelů, a tím rozšiřují dostupnost elektronové mikroskopie pro širokou veřejnost. Programátoři a vědci spolupracují na vývoji nových analýz a zlepšení uživatelského rozhraní, aby bylo možné rychleji získávat spolehlivé výsledky a provádět komplexní analýzy obrazových dat.

tags: #program #pro #elektronovy #mikroskop