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陈震:攻克电子多次散射难题,实现迄今为止成像最高分辨率,有望进一步探索先进材料的“微观世界” | 创新35人专栏

以下文章来源于DeepTech深科技 ,作者胡诗学



1月22日,由 DeepTech 携手络绎科学举办的“MEET35:创新者说”论坛暨“35 岁以下科技创新 35 人”2021 年中国线上发布仪式成功举行。来自科学界和产业界的人士在云端共同见证了新一届中国青年科技领军人物登场。

DeepTech 同“创新 35 人” 2021 中国入选者乐动体育平台(中国)股份有限公司副研究员陈震,就电子显微镜成像技术的发展,以及如何解决多次散射难题等话题进行了深入交流。


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作为“先锋者”入选的陈震长期投身于新型定量显微学成像技术的研究,侧重于突破现有成像技术的极限。其因通过开发反解多次散射的数学算法,实现了晶格振动决定的极限分辨率和亚纳米的三维空间分辨率而成功入选“创新 35 人”。


获奖时年龄:35岁

获奖时职位:乐动体育平台(中国)股份有限公司副研究员

获奖理由:他的发明实现了世界上分辨率最高的显微镜,协助攻克了困扰电子显微学界近百年的难题。


材料的微观世界神秘而深邃!在人类文明发展的进程中,人们对材料及其微观结构的探索从未停止脚步。作为精确测量材料原子排列的强大工具,电子显微镜(以下简称电镜)在材料研究中扮演了重要角色,其比光学显微镜的放大倍数大上万倍,被广泛用于物理、化学、材料和生物等科学领域。

与此同时,电子显微成像技术的提升也催生了大量科学突破。例如,以色列科学家达尼埃尔·谢赫特曼(Daniel Shechtman)通过原子分辨图像发现准晶,从而获得 2011 年诺贝尔化学奖;冷冻电镜技术也是电子显微学的一个重要方向,其已成为研究生物学大分子结构的最重要工具之一,极大地推动了新药研发和疾病治疗,同样获得了 2017 年的诺贝尔化学奖。

而在材料科学领域,电子显微镜同样应用广泛,这也正是陈震目前研究的主要方向。据了解,长期以来,陈震一直致力于开发新型电子显微学技术,以突破现有成像技术的极限和拓展其应用范围。近年来,其在四维扫描透射电子显微术方面取得了众多代表性成果。


开发全新叠层衍射成像技术,再次创下最高分辨率纪录


2021 年 6 月,陈震与同事合作发明了全新的叠层衍射成像技术,进而实现了世界上分辨率最高的显微镜,超越之前的记录2倍,捕捉到了迄今为止分辨率最高的原子图像[1]。值得一提的是,此前的分辨率记录也是由他和同事在 2018 年创下的。相关论文发表在 Science 期刊,该论文以《电子叠层衍射实现了由晶格振动决定的原子分辨率极限》(Electron ptychography achieves atomic-resolution limits set by lattice vibrations)为题,陈震担任第一作者和通讯作者。


图 | 相关论文(来源:Science)


据陈震介绍,电镜对原子成像的原理是用一束高速的电子照射试样,测量被原子散射的电子分布来反推原子的位置。电子和原子的相互作用很强,因此电镜对微观结构测量非常灵敏,只需要很小的样品,二维材料中的单个原子都能直接测量。然而,当电子的运行路径上有很多个原子时,也就是探测用的试样比较厚时,会出现复杂的多次散射。这种多次散射会严重影响对微观原子位置的测定。

事实上,早在二十世纪二十年代电子散射理论刚建立时,科学家们就已经发现了其中的多次散射效应。为了排除这种干扰,科学家通常会利用其它测量手段获取试样的基本结构信息,基于此结构假设一个结构模型进行图像模拟,再与电镜获取的图像进行比对,如果两者不匹配,则需要不断修正结构模型。

“可以说,这是一种反复试错的方案,尤其是对复杂的缺陷结构,确定工作将变得非常艰难。”陈震说道。

这种情况下,如何解决复杂的多次散射效应便成为了一个亟需解决的问题。

经过反复的实验和论证,陈震团队决定采取另外一种途径,即直接利用实验测量的大量数据,开发新的数学算法,进而反向求解样品的结构。这种技术便是叠层衍射成像。

在这种全新的叠层衍射成像技术帮助下,试样准备的难度被大大降低,获得相同的微观结构信息,可以将样品的厚度放宽至少 10 倍。基于此,电镜能够研究的样品类型得到了极大拓展。

“利用这种新技术,我们解决了困扰学界上百年的多次散射难题,实现了成像的最高分辨率,接近了原子室温下本身振动决定的极限分辨率。”陈震表示。

此外,该技术还解决了电镜在样品成像过程中通常会遇到的另一个困难,即高能电子在测试时会对部分样品造成严重的破坏,但新技术大大减小了这方面的顾虑,因为它可以使用低得多的电子剂量来成像,因此有望在能源材料和生物样品中广泛应用。


“成功和失败的区别可能只是多做了一次尝试”


陈震本科就读于武汉大学,随后在中国科学院物理研究所博士毕业,2016 年赴美国康奈尔大学攻读博士后,导师是康奈尔大学应用与工程物理学院讲席教授大卫·穆勒(David Muller),其是电子显微学界顶尖专家之一,其研究工作曾两次获得吉尼斯世界纪录。

据陈震介绍,该项工作主要是其在康奈尔大学博士后期间完成的。

据了解,新的叠层衍射成像技术并非陈震团队首次发明,但是受限于试验设备,长期以来该技术并没有获得太多关注。

陈震提到,即使是他的导师,穆勒教授当时对此研究也没有太大的信心。不过陈震并没有丧失信心,反而将更多的精力放在了这个项目上,凭借持之不懈的毅力,再加上他在去康奈尔大学之前的深厚积累,新的成像技术最终得以大放异彩。

研究过程中,陈震和同事首先选择的是二维材料二硫化钼,它只有三个原子层,厚度很薄,成像的电子和原子间散射比较弱。


图 | 陈震正在操作获得最高分辨率的电子显微镜(来源:陈震)


通过不断优化实验参数,开发新的数学算法,最终在 2018 年,陈震和合作者利用叠层衍射成像技术,首次突破了物理成像透镜的衍射极限,实现了 0.04 纳米的分辨率,打破了图像分辨率的吉尼斯世界纪录,相关论文发表在当年 Nature 杂志。

在取得初步成功后,学界对该领域有了更多关注,有一些课题组开始了相关研究,但是很多人仍然持有怀疑态度,认为其只能在二维材料中实现高分辨率。

这样的压力下,陈震坚持迎难而上,通过改进实验设计和成像算法,在 2020 年进一步改进电子叠层衍射实验设计,实现了大视场原子分辨成像,降低了对成像系统稳定性的要求。

随后,在 2020 到 2021 年,受限于疫情,陈震反而有了更多的时间来思考和钻研成像算法,并最终找到了问题根源所在,实现了分辨率的新突破,特别是解决了电子的多次散射难题。

“这个工作顺利发表在 Science 杂志后,获得了非常大的影响,特别是电子显微学界。有几个老一辈的专家专门发信给我们来祝贺。”陈震说。

值得一提的是,该项成就也被中国两院院士评选为 2021 年世界十大科技进展新闻之一。

“探索性的研究都是如此,没有人能告诉你这个项目一定能成功,认准了就要坚持,成功和失败的区别可能只是多做了一次尝试。”陈震表示。


未来将继续探索“微观世界”,推动新材料研发


总而言之,该技术在材料的微观结构研究中存在明显的优势,有望解决一些常规成像技术无法解决的难题。

此外,陈震还提出和实现了一种新的材料原子尺度化学成分定量方法,以及实现了同时具有大视场、低剂量和亚埃分辨率等优异性能的原子成像技术,有望进一步提高生物大分子成像的分辨率,弥补常规冷冻电镜技术的不足。未来或将广泛应用于生物大分子和脑成像等领域。

不过,陈震也指出,该技术还有很大的改善空间。首先,目前的算法所耗费的计算时间较长,亟需得到优化,特别是结合机器学习等方法加速成像计算过程;其次,目前的电子显微镜是一个综合性的分析平台,虽然功能强大,但是对于该成像技术来说其并不是最佳设计。

对于下一步的工作规划,陈震表示,一方面,其希望通过应用新技术来探索先进材料的微观世界,进而开发出一些能用来制造功能器件的新材料,例如,传感器、下一代数据存储器件或者储能器件等。

另一方面,他希望从改进硬件到发明新的算法等各角度共同发力,以开发新的成像技术,从而解决一些先进材料的微观结构问题,促进新材料的研发。


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参考:

1.Chen Z, Jiang Y, Shao Y T, et al. Electron ptychography achieves atomic-resolution limits set by lattice vibrations[J]. Science, 2021, 372(6544): 826-831.


【关于创新35人】

自 1999 年起,《麻省理工科技评论》每年从世界范围内的新兴科技、创新应用中遴选出 35 岁以下对未来科技发展产生深远影响的创新领军人物,涵盖但不限于生物技术、能源材料、人工智能、信息技术、智能制造等新兴技术领域。“35 岁以下科技创新 35 人”(MIT Technology Review Innovators Under 35,简称 TR35)堪称科技领域最权威的青年人才评价体系之一,在产业界和学术界获得了广泛认同。2017 年,TR35 中国评选正式推出,目前已历经五届。

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