GAIA هو مجهر مسح إلكتروني ناقل الحركة مزود بنظام مدمج لتبريد العينات إلى درجات حرارة منخفضة للغاية باستخدام الهيليوم السائل. الائتمان: كاميرون جونسون
عندما يتعلق الأمر بمواد التصوير، كلما كانت العينة أكثر برودة، كلما كان ذلك أفضل. في درجة حرارة الغرفة، تنبض الذرات بالطاقة الحرارية وتظهر ضبابية في الصور، ولكن في درجات الحرارة شديدة البرودة، بالقرب من الصفر المطلق (0 كلفن)، فإنها تصل إلى طريق مسدود تقريبًا، ويمكنها حتى أن تتبنى سلوكيات كمومية غريبة. لذلك، ظل العلماء في سعيهم على مدى عقود من الزمن لتكييف بعض ما توصلوا إليه أقوى أدوات التصوير — المجاهر الإلكترونية النافذة (TEMs) — للعمل في أبرد درجات الحرارة الممكنة.
تدفع أقوى أجهزة التصوير بالرنين المغناطيسي في العالم التصوير البشري إلى حدود جديدة
والآن أصبحت أحلامهم حقيقة أخيرًا. في العام الماضي، أفاد باحثون في الولايات المتحدة1 باستخدام ملحق لأجهزة TEMs التي تعمل على تبريد العينات إلى درجة حرارة منخفضة تصل إلى -253 درجة مئوية (20 كلفن) باستخدام الهيليوم السائل، مما يتيح تصويرًا مستقرًا للعينات بدقة ذرية لأكثر من عشر ساعات.
وبحلول أوائل العام المقبل، ستقوم شركة تصنيع الأدوات بروكر، ومقرها بيليريكا، ماساتشوستس، بشحن أول مجهر إلكتروني ماسح ضوئي (STEM) على الإطلاق، يعمل بثبات بالقرب من الصفر المطلق باستخدام الهيليوم السائل، إلى ثلاثة مختبرات في كندا، وألمانيا، والولايات المتحدة. يستطيع الجهاز – الذي أُطلق عليه اسم GAIA ، أي التقدم الأجيالي في أدوات التحليل – تصوير المواد عند درجات حرارة منخفضة تصل إلى -266 درجة مئوية (7 كلفن) لمدة 30 ساعة أو أكثر.
يقول تريسي لوفجوي، نائب الرئيس والمدير العام لأحد أقسام شركة بروكر: “إنه أمر غير متواضع إلى حد ما أن نسمي المجاهر الخاصة بك بأسماء الآلهة، ولكننا واثقون تمامًا” من قدراتها. (في اليونان القديمة، كانت جايا إلهة الأرض).
يشعر الباحثون بسعادة غامرة تجاه التطورات ويعتقدون أن GAIA ، على وجه الخصوص، ستفتح آفاقًا لاستكشاف خصائص المواد التي لم يسبق لها مثيل.
إن جعل العينات أكبر بمليار مرة يتيح للمجاهر البسيطة تحديد الأحماض الأمينية
تقول شيلي كونروي، عالمة المجهر الإلكتروني في إمبريال كوليدج لندن: “إنه أمر مثير للسخرية”. حصل كونروي على فترة زمنية لاستخدام مجهر GAIA الذي سيتم تسليمه إلى مركز إرنست روسكا للفحص المجهري والتحليل الطيفي بالإلكترونات في يوليش بألمانيا. سيتم إرسال الجهازين الآخرين إلى مختبر أوك ريدج الوطني في ولاية تينيسي والمركز الكندي للمجهر الإلكتروني في هاميلتون.
في العام الماضي، شاهد عالم المجهر الإلكتروني نوح شنيتزر عرضًا توضيحيًا لـ GAIA في المؤتمر السنوي للفحص المجهري والتحليل الدقيق في سولت ليك سيتي بولاية يوتا. وكان قد استخدم سابقًا ملحقات مجهرية لتصوير مواد شديدة البرودة، وهي عملية يقول إنها تتطلب “قدرًا هائلاً من التحسين”، و”محاربة النظام على طول الطريق”.
يقول شنيتزر، الذي يعمل مع كونروي في إمبريال كوليدج لندن، إن استقرار GAIA مثير للإعجاب. ويقول: “إن هذا يشبه اللعبة برمتها” في الفحص المجهري.
الطريق إلى الحل
إن الجمع بين TEMs و STEMs مع الأنظمة المبردة التي تسمح للأدوات بالعمل في درجات حرارة منخفضة للغاية ليس فكرة جديدة. لقد استخدم العلماء منذ فترة طويلة درجة الحرارة بمثابة “مقبض ضبط” لتجميد الذرات تقريبًا في مكانها، وتحفيز ظهور خصائص معينة في المواد، كما يقول سوك هيون سونج، عالم المجهر الإلكتروني بجامعة ميتشيجان في آن أربور، الذي ساعد في تطوير ملحق TEM الذي تم الإبلاغ عنه العام الماضي.
في أغلب الأحيان، يتم تبريد المجاهر الإلكترونية بالنيتروجين السائل، مما يخفض درجة حرارة العينات إلى حوالي -196 درجة مئوية (77 كلفن). ولكي يصبح الجو أكثر برودة من ذلك، عرف العلماء أنهم سيحتاجون إلى التعامل مع الهيليوم السائل، الذي يتكثف عند درجة حرارة -269 درجة مئوية (4 كلفن). كانت المشكلة هي صعوبة التعامل مع الهيليوم السائل.
يقوم إسماعيل البقاري، أحد مؤسسي شركة h-Bar Instruments ، بمحاذاة أحد مرفقات شركة الفحص المجهري قبل إدخاله في جهاز TEM.الائتمان: شيلي كونروي
في أجهزة TEMs ، يتم الاحتفاظ بالعينات بواسطة قضيب متصل بحاوية تشبه الترمس تسمى ديوار، والتي من شأنها أن تحتوي على الهيليوم السائل. لكن الهيليوم السائل يتبخر بسرعة كبيرة مما يؤدي إلى اهتزاز العينات، مما يؤدي إلى تشويش الصور. كان من المستحيل تقريبًا جمع البيانات بشكل موثوق، وعادةً ما لا يمكن جمعها إلا لفترة وجيزة في ظل هذه الظروف. قامت إحدى الشركات، وهي شركة condenZero ، ومقرها زيوريخ، بتطوير مرفق مبرد بالهيليوم السائل، مما أدى إلى غمر المواد إلى حوالي -269 درجة مئوية (4 كلفن) لمدة 24 ساعة، لكنها لم تهدف إلى التحليل الذري.
في عام 2020، شرع روبرت هوفدن، عالم المجهر الإلكتروني في جامعة ميشيغان، وزملاؤه في إنشاء مجهر من شأنه أن يفعل ذلك. واستخدموا مبادلًا حراريًا وبعض التعديلات الهندسية الأخرى لتقليل الاهتزازات الناتجة عن الهيليوم السائل والحصول على صور أكثر وضوحًا. في عام 2022، شارك هوفدن في تأسيس شركة h-Bar Instruments في آن أربور لتسويق المرفق.
ثورة المجهر التي تجتاح علوم المواد
يستخدم GAIA أيضًا الهيليوم السائل، ولكنه يدمجه مباشرة في المجهر. بدأ تطويره في عام 2017 في شركة المجهر الإلكتروني Nion ، التي استحوذ عليها بروكر في عام 2024. بالإضافة إلى تقديم تصوير فائق البرودة بدقة ذرية، فإنه يحتوي على بعض الميزات الأخرى التي يثير اهتمام الباحثين. إن GAIA عبارة عن “مصحح للانحراف”، كما هو الحال مع بعض المجاهر الإلكترونية الأخرى، مما يعني أنه مزود بعدسات وبرامج تعمل على إصلاح عدم الوضوح الطبيعي أو التشويه الذي يحدث أثناء التصوير، للحصول على “لقطات” أكثر وضوحًا للعينات. كما يحتوي أيضًا على جهاز أحادي اللون يتحكم في طاقات الإلكترونات التي تضرب العينات، مما يمكّن الباحثين من دراسة كيفية استجابة المواد للإثارة منخفضة الطاقة.
www.nature.com
