Мал. 1. Принцип електронної томографії. Малюнок з книги J. Frank «Electron Tomography: Methods for Three-Dimensional Visualization of Structures in the Cell»
Електронна томографія дозволяє візуалізувати тривимірну структуру різних мікро- і нанооб'єктів, таких як елементарний осередок кристалічної речовини, біологічна клітина або вірус. Вчені з Каліфорнійського технологічного інституту створили електронну 4D-томографію, зумівши інтегрувати в звичайну електронну томографію четвертий вимір - час. З її допомогою можна відстежувати просторово-часові характеристики структури досліджуваного об'єкта з нанометрових-фемтосекундним дозволом.
Електронна томографія зародилася в кінці 60-х років минулого століття і довгий час через повільність комп'ютерів, обраховується значення інтенсивностей, була досить трудомістким процесом. З появою потужних і швидкодіючих обчислювальних машин стало можливо практично моментально реконструювати з даних по дифракції тривимірний вигляд досліджуваного зразка (рис. 2).
По-друге, якщо мова йде про динаміку внутрішньої будови об'єкта в атомарному або молекулярному масштабі, то часовий проміжок δt повинен бути дуже малим. на рівні нано- та пикосекунд, а то і менше.
Мал. 2. Еволюція тривимірної томографії. Малюнок з книги J. Frank «Electron Tomography: Methods for Three-Dimensional Visualization of Structures in the Cell»
Після цього з деякою контрольованою затримкою - від декількох фемтосекунд (фемто = 10 -15) до декількох наносекунд по відношенню до лазерного імпульсу - запускається потік електронів. Розсіюючись на зразку, електрони створюють його дифракційне двовимірне зображення на екрані. Потім з деяким інтервалом часу, який може варіюватися від фемтосекунди до наносекунди (в залежності від того, наскільки швидко змінюється структура об'єкта), відбувається поворот підкладки на кут 1 °. Після опромінення електронами виходить нове двовимірне зображення об'єкта. Весь процес повторюється для інтервалу кутів від -58 ° до + 58 ° (0 ° відповідає перпендикулярному падіння електронного променя на підкладку). В результаті обробки отриманих проекцій розраховується тривимірне зображення досліджуваного зразка.
На рис. 3 наведені результати томографії - знімки вуглецевого браслета в різні моменти часу, що минули після пострілу лазером в нанотрубку. Енергія електронів в процесі томографії становила 200 кеВ (довжина хвилі 2,5 пікометр).
Мал. 4. Окремі кадри з електронної 4D-томограми вуглецевої нанотрубки для різних кутів огляду і в різні проміжки часу (5, 15, 30 і 75 наносекунд). Час відраховується з моменту подачі тепла на нанотрубку. Стрілки показують напрямок руху окремих ділянок досліджуваного об'єкта. Чорний колір деяких областей нанотрубки означає, що вони повернулися у вихідне положення до теплового удару (при t = 0). Вставки на кожному кадрі відповідають «необробленому» зображенню нанотрубки при нульовому куті нахилу підкладки (електронний промінь падає на неї перпендикулярно). Зображення з обговорюваної статті в Science
Треба відзначити, що процес електронної 4D-томографії не вносить непередбачених і істотних змін в будову нанотрубки. Середня доза, необхідна для отримання одного 2D-знімка зразка, не перевищувала 15 електронів на квадратний нанометр при проміжку між імпульсами порядку наносекунди. При фемтосекундного проміжку ця величина зменшувалася на кілька порядків. Сумарна ж доза, яку отримувала нанотрубка за весь час чотиривимірної томографії, на два порядки менше значення, при якому починається її необоротна деформація.