新型AI技术打破了原子力材料表面成像技术的基本限制

新型AI技术打破了原子力材料表面成像技术的基本限制 原子力显微镜（AFM）是一种广泛使用的技术，可以定量绘制材料表面的三维图。然而，原子力显微镜的精度受到显微镜探针尺寸的限制。为了突破这一限制，我们开发了一种新型人工智能技术，使显微镜在材料分析中达到更高的分辨率。伊利诺伊大学香槟分校的研究人员开发的深度学习算法经过训练，可以从原子力显微镜图像中去除探针宽度的影响。据《纳米快报 》（Nano Letters）杂志报道， 该算法超越了其他方法，首次以低于显微镜探针尖端宽度的分辨率给出了真正的三维表面轮廓。材料表面成像技术的突破"精确的表面高度轮廓对于纳米电子学的开发以及材料和生物系统的科学研究至关重要，而原子力显微镜是一种能够无创测量轮廓的关键技术，"该项目负责人、工大材料科学与工程系教授张英杰说。"我们已经展示了如何更加精确地观察更小的东西，我们也展示了如何利用人工智能来克服看似无法克服的限制。"显微镜技术通常只能提供二维图像，基本上只能为研究人员提供材料表面的航拍照片。原子力显微镜可提供完整的地形图，准确显示表面特征的高度剖面。这些三维图像是通过在材料表面移动探针并测量其垂直偏转而获得的。经深度学习算法处理的原子力显微镜图像。左列包含模拟的原子力显微镜图像，中间一列包含经过算法处理和重建的图像，右列包含添加原子力显微镜效应之前的原始图像。来源：Nano Lett.如果表面特征接近探针尖端的大小（约 10 纳米），显微镜就无法分辨，因为探针变得太大，无法"感觉"出这些特征。几十年来，显微镜学家们一直意识到这一局限性，但伊利诺伊大学的研究人员是第一个给出确定性解决方案的人。"我们之所以求助于人工智能和深度学习，是因为我们想获得高度剖面精确的粗糙度而不受传统数学方法的固有限制。"研究人员开发了一种具有编码器-解码器框架的深度学习算法。它首先通过将原始原子力显微镜图像分解为抽象特征对其进行"编码"。在对特征表示进行处理以消除不良影响后，再将其"解码"回可识别的图像。为了训练该算法，研究人员生成了三维结构的人工图像，并模拟了它们的原子力显微镜读数。然后构建算法，利用探针尺寸效应转换模拟原子力显微镜图像，并提取基本特征。博纳吉里说："实际上，我们必须做一些非标准的事情才能做到这一点。典型的人工智能图像处理的第一步是根据某个标准重新调整图像的亮度和对比度，以简化比较。但在我们的案例中，绝对亮度和对比度才是有意义的部分，因此我们不得不放弃第一步。这让问题变得更具挑战性。"为了测试他们的算法，研究人员在硅主机上合成了已知尺寸的金和钯纳米粒子。该算法成功消除了探针尖端效应，并正确识别了纳米粒子的三维特征。张说："我们已经给出了概念验证，并展示了如何使用人工智能来显著改善原子力显微镜图像，但这项工作仅仅是个开始。与所有人工智能算法一样，我们可以通过在更多更好的数据上进行训练来改进它，但前进的道路是明确的。"编译自：ScitechDaily ... PC版： 手机版：

科学家捕捉到光驱动聚合物的蛛丝马迹

科学家捕捉到光驱动聚合物的蛛丝马迹 高速原子力显微镜与激光照射系统相结合，用于原位实时观察偶氮聚合物的变形过程。资料来源：大阪大学偶氮聚合物是一种光活性材料，这意味着当光线照射到它们时，它们会发生变化。具体来说，光线会改变它们的化学结构，从而改变薄膜的表面。这使得它们在光学数据存储和提供光触发运动等应用中颇具吸引力。能够在捕捉图像的同时用聚焦激光引发这些变化被称为原位测量。"通常，研究聚合物薄膜的变化时，需要对其进行处理，例如用光照射，然后进行测量或观察。然而，这只能提供有限的信息，"该研究的第一作者 Keishi Yang 解释说。"使用高速原子力显微镜（HS-AFM）装置，包括一台带激光器的倒置光学显微镜，使我们能够触发偶氮聚合物薄膜的变化，同时以高时空分辨率对其进行实时观测。"(a）与激光辐照系统集成的高速原子力显微镜概述 b）偶氮聚合物变形的高速原子力显微镜图像。资料来源：美国化学学会高速原子力显微镜测量能够以每秒两帧的速度跟踪聚合物薄膜表面的动态变化。研究还发现，所使用的偏振光的方向会对最终的表面图案产生影响。利用原位方法进行的进一步研究有望深入了解光驱动偶氮聚合物变形的机理，从而最大限度地发挥这些材料的潜力。该研究的资深作者 Takayuki Umakoshi 说："我们已经展示了观察聚合物薄膜形变的技术。不过，在此过程中，我们展示了将尖端扫描 HS-AFM 和激光源结合起来，用于材料科学和物理化学的潜力"。对光有反应的材料和过程在化学和生物学的多个领域都很重要，包括传感、成像和纳米医学。原位技术为加深理解和最大限度地发挥潜力提供了机会，因此有望应用于各种光学设备。编译自/scitechdaily ... PC版： 手机版：

科学家用最先进的成像技术揭开细胞结构的神秘面纱

科学家用最先进的成像技术揭开细胞结构的神秘面纱 沿纵轴切开并从上方观察的人类中心粒模型。图片来源：© CentrioleLab这种细胞器对细胞骨架的组织至关重要，在功能障碍的情况下与某些癌症、脑部疾病或视网膜疾病有关。这项发表在《细胞》（Cell）杂志上 的研究成果阐明了中心粒组装的复杂性。它还为研究其他细胞器开辟了许多新途径。细胞器的形成是按照连续的蛋白质招募事件的精确序列进行的。通过实时观察这种组装过程，可以更好地了解这些蛋白质在细胞器结构或功能中的作用。然而，要获得具有足够分辨率的视频序列来分辨如此复杂的显微元件，却面临着许多技术限制。为更好地观察细胞而充气中心粒尤其如此，这个尺寸不到 500 纳米（千分之五毫米）的细胞器由大约 100 种不同的蛋白质组成，分为六个亚结构域。直到几年前，人们还无法看到中心粒结构的细节。联合国大学理学院分子和细胞生物学系联合研究主任保罗-吉夏尔（Paul Guichard）和维吉妮-哈梅尔（Virginie Hamel）的实验室利用膨胀显微镜技术改变了这一局面。这项尖端技术可以使细胞及其成分在不变形的情况下逐渐膨胀，这样就可以使用传统显微镜以极高的分辨率对它们进行观察。以如此高的分辨率获取中心粒图像可以确定蛋白质在特定时间的确切位置，但却无法提供关于亚结构域或单个蛋白质出现顺序的信息。该研究的第一作者、前联合国工程师学会研究和教学人员 Marine Laporte 利用膨胀显微镜分析了一千多个中心粒在不同生长阶段的六个结构域中 24 种蛋白质的位置。重组图片，让它们运转起来"在这项非常繁琐的工作之后，我们进行了伪时间运动学重建。换句话说，我们能够将中心粒生物发生过程中随机拍摄的数千张图像按时间顺序排列起来，利用我们开发的计算机分析方法重建中心粒亚结构形成的各个阶段，"这项研究的共同负责人维吉妮-哈梅尔解释说。这种独特的方法结合了极高分辨率的膨胀显微镜和运动学重建，使我们能够首次建立人类中心粒的 4D 组装模型。保罗-吉夏尔总结说："我们的工作不仅加深了我们对中心粒形成的理解，还为细胞和分子生物学开辟了令人难以置信的前景，因为这种方法可以应用于其他大分子和细胞结构，研究它们在空间和时间维度上的组装。"编译自/scitechdaily ... PC版： 手机版：

科学家发现光合作用的原子级秘密

科学家发现光合作用的原子级秘密 了解光合蛋白质的生产论文的共同作者、研究小组组长迈克尔-韦伯斯特（Michael Webster）博士说："叶绿体基因的转录是制造光合蛋白的基本步骤，光合蛋白为植物提供生长所需的能量。我们希望通过更好地了解这一过程在详细的分子水平上能够帮助研究人员开发出光合作用更强的植物。这项工作最重要的成果是创建了一个有用的资源。研究人员可以下载我们的叶绿体聚合酶原子模型，并利用它提出自己关于叶绿体聚合酶如何发挥作用的假设，以及检验这些假设的实验策略。"光合作用是在叶绿体内进行的，叶绿体是植物细胞内的一个小区块，它含有自己的基因组，反映了叶绿体在被植物吞噬和合并之前曾是自由生活的光合细菌。看到植物叶绿体中转录光合基因的聚合酶分子。用电子显微镜收集到的单个分子图像经过分类和排列，揭示了蛋白质复合体结构架构的细节。资料来源：迈克尔-韦伯斯特和伊斯卡-普拉马尼克约翰-英纳斯中心的韦伯斯特小组研究植物如何制造光合蛋白，光合蛋白是实现这一优雅化学反应的分子机器，它将大气中的二氧化碳和水转化为单糖，并产生氧气作为副产品。蛋白质生产的第一阶段是转录，通过读取基因产生"信使RNA"。转录过程由一种名为 RNA 聚合酶的酶完成。叶绿体 RNA 聚合酶的复杂性50 年前，人们发现叶绿体中含有自己独特的 RNA 聚合酶。从那时起，科学家们就对这种酶的复杂程度感到惊讶。它比它的祖先细菌 RNA 聚合酶有更多的亚基，甚至比人类的 RNA 聚合酶还要大。韦伯斯特小组希望了解为什么叶绿体具有如此复杂的 RNA 聚合酶。为此，他们需要对叶绿体 RNA 聚合酶的结构构造进行可视化。研究小组使用一种称为低温电子显微镜（cryo-EM）的方法，对从白芥子植物中纯化的叶绿体RNA聚合酶样本进行成像。原子级分析的启示通过处理这些图像，他们建立了一个包含分子复合体中 5 万多个原子位置的模型。RNA 聚合酶复合体由 21 个亚基组成，分别在核基因组和叶绿体基因组中编码。研究人员对这一结构进行了仔细分析，从而开始解释这些元件的功能。这个模型让他们确定了一种蛋白质，它能在DNA转录过程中与DNA相互作用，并引导DNA进入酶的活性位点。另一种成分可以与正在产生的 mRNA 相互作用，从而在 mRNA 转化为蛋白质之前保护它不被蛋白质降解。韦伯斯特博士说："我们知道叶绿体 RNA 聚合酶的每一个组成部分都起着至关重要的作用，因为缺少其中任何一个组成部分的植物都不能制造光合蛋白质，因此也就不能变绿。我们正在仔细研究原子模型，以确定装配的 21 个组件中每个组件的作用。"第一作者Ángel Vergara-Cruces博士说："现在我们有了一个结构模型，下一步就是确认叶绿体转录蛋白的作用。通过揭示叶绿体转录的机制，我们的研究有助于深入了解叶绿体在植物生长、适应和应对环境条件中的作用。"共同第一作者伊斯卡-普拉马尼克（Ishika Pramanick）博士说："从极具挑战性的蛋白质纯化开始，到为这一巨大复杂的蛋白质拍摄令人惊叹的低温电子显微镜图像，再到最终看到我们的工作成果的印刷版本，在这一非凡的工作历程中有许多令人惊喜的时刻。"韦伯斯特博士总结道："高温、干旱和盐度限制了植物进行光合作用的能力。面对环境压力仍能可靠地生产光合蛋白的植物可能会以不同的方式控制叶绿体转录。我们期待看到我们的研究成果被用于开发更强健作物的重要工作中。"编译自:ScitechDaily ... PC版： 手机版：

科学家通过介电元原子排列液晶 制作出新型电控元表面

科学家通过介电元原子排列液晶 制作出新型电控元表面 介电元表面是当前光学领域最前沿的研究和应用方向之一。它们不仅具有低损耗的优势，还能实现亚波长尺度的器件厚度。此外，它们还能在振幅、相位和偏振等多个维度上自由调制光。这种能力是传统光学所缺乏的，对未来光学系统的集成、微型化和扩展具有重要意义。因此，介电元表面吸引了越来越多的工业关注。在这项研究中，剑桥大学的朱大平教授团队开发出了一种基于液晶的新型可调介电元表面。通过利用介电元表面对液晶的固有配向效应和电可控特性，无需使用液晶配向层材料和相关工艺，从而节省了设备制造时间和成本。这对硅基液晶（LCoS）等设备具有实际意义。介电元表面是当前光学领域最前沿的研究和应用方向之一。它们不仅具有低损耗的优势，还能实现亚波长尺度的器件厚度。资料来源：Advanced Devices & Instrumentation研究小组通过测量器件在不同角度的透射率，定量研究了元表面本身对液晶的配准效应的强度。他们得到的明暗对比度为 25.6。与此同时，研究团队还在实验中实现了近红外通信波段 94% 的调制深度。本研究提出了一种基于液晶的新型电控元表面。通过利用元表面对液晶的固有对准效应，省去了传统液晶器件中的对准过程，从而为传统液晶器件带来了巨大的经济价值。此外，由于元表面具有亚波长特性，理论上可以将器件做得非常薄，从而有效提高液晶器件的响应速度和分辨率。对于传统液晶器件（如 LCoS）而言，集成了元表面的液晶器件具有重要的研究价值。编译自:ScitechDaily ... PC版： 手机版：

科学家研制出改进型中红外显微镜 清晰度提高30倍

科学家研制出改进型中红外显微镜 清晰度提高30倍 这幅插图左上方是用中红外线照射的细菌，下方显微镜发出的可见光帮助捕捉图像。细菌内部的化学图像比传统的中红外显微镜清晰 30 倍。图片来源：2024 Ideguchi 等人/《自然-光子学》（Nature Photonics）研究人员说，这一最新进展产生了 120 纳米的图像，比典型的中红外显微镜的分辨率提高了 30 倍。能够在更小的范围内更清晰地观察样本，有助于多个领域的研究，包括传染病研究，并为未来开发更精确的中红外成像技术开辟了道路。微观领域是病毒、蛋白质和分子的栖息地。借助现代显微镜，我们可以大胆地观察自己细胞的内部结构。但即使是这些令人印象深刻的工具也有其局限性。例如，超分辨率荧光显微镜需要用荧光标记标本。这有时会对样本产生毒性，而且在观察时长时间暴露在光线下会漂白样本，这意味着它们不再有用。电子显微镜也能提供令人印象深刻的细节，但样本必须置于真空中，因此无法研究活体样本。相比之下，中红外显微镜可以提供活细胞的化学和结构信息，而无需对细胞进行着色或破坏。然而，由于中红外显微镜的分辨率相对较低，它在生物研究中的应用受到了限制。超分辨荧光显微镜可以将图像缩小到数十纳米（1 纳米为一毫米的百万分之一），而中红外显微镜通常只能达到 3 微米左右（1 微米为一毫米的千分之一）。然而，东京大学的研究人员在一项新的突破中，实现了比以往更高的中红外显微镜分辨率。"我们的空间分辨率达到了 120 纳米，即 0.12 微米。"东京大学光子科学与技术研究所的 Takuro Ideguchi 教授解释说："这一惊人的分辨率大约是传统中红外显微镜分辨率的 30 倍。"研究小组使用了"合成孔径"技术，该技术结合了从不同照明角度拍摄的多幅图像，以生成更清晰的整体图像。通常情况下，样品被夹在两个透镜之间。然而，透镜会无意中吸收部分中红外光。为了解决这个问题，研究人员将细菌样本（使用了大肠杆菌和Rhodococcus jostiiRHA1）放在硅板上，硅板可以反射可见光并透过红外线。这样，研究人员就可以使用单透镜，用中红外光更好地照射样品，获得更详细的图像。"我们对能够如此清晰地观察细菌的胞内结构感到惊讶。我们显微镜的高空间分辨率可以让我们研究抗菌药耐药性等世界性问题，"Ideguchi 说。"我们相信，我们可以从多个方向继续改进这项技术。如果我们使用更好的透镜和更短的可见光波长，空间分辨率甚至可以低于 100 纳米。有了更高的清晰度，我们希望研究各种细胞样本，以解决基础和应用生物医学问题。"编译来源：ScitechDaily ... PC版： 手机版：