Vědci z CEITEC pracují na až pětinásobném zvýšení rychlosti "vysokorychlostní mikroskopie"

V únoru letošního roku odstartoval projekt GAČR, který se věnuje vysokorychlostní skenovací sondové mikroskopii. Během tří let budou vědci z CEITEC Vysoké učení technické v Brně (VUT) ve spolupráci s Českým metrologickým institutem (ČMI) řešit zrychlení procesu měření touto technikou a zlepšení analýzy získaných dat za pomoci na míru vyvinutých algoritmů umělé inteligence. Výsledky výzkumu najdou uplatnění jak ve vědecké, tak průmyslové praxi, například při sledování živých buněk nebo výrobě čipů.

Vysokorychlostní mikroskopie atomárních sil je disciplína, díky které mohou vědci zkoumat vlastnosti povrchů různých materiálů. Využívají k tomu mikroskopy, jež za pomoci miniaturního hrotu se sondou o velikosti jen několika málo nanometrů (miliontina milimetru) opakovaně kloužou v pravidelných drahách po povrchu vzorku, na ploše o velikosti v řádu mikrometrů, tedy je menší než lidská červená krvinka, a zaznamenávají tvar povrchu s přesností srovnatelnou se vzdáleností jednotlivých atomů. Sonda povrch snímkuje a vědci tak získávají detailní obrázky s extrémně vysokým rozlišením. Taková měření většinou netrvají déle než pár minut, ale i to je v některých případech příliš. Zejména u vzorků, které se v čase mění, což mohou být například živé biologické materiály, ale i neživé materiály, u kterých nás jejich změna zajímá. A právě tento moment je podstatou projektu GAČR, jehož oficiální název je Vysokorychlostní atomární silová mikroskopie s řídkým vzorkováním.

CEITEC VUT: Vědci z CEITEC pracují na až pětinásobném zvýšení rychlosti "vysokorychlostní mikroskopie"

„Naše společná práce si klade za cíl zrychlit proces skenování optimalizací dráhy, po níž se pohybuje hrot mikroskopu, tak, aby se měřilo jen to, co je opravdu užitečné, a zároveň vytvořit algoritmus, který bude schopen snímky vyhodnocovat bez potřeby mezikroku v dopočítávání dat z vynechaných částí povrchu,“ říká hlavní řešitel Petr Klapetek z Českého metrologického institutu (ČMI). Naráží tak na skutečnost, že při běžném vysokorychlostním skenování vznikají stovky snímků napříč celým povrchem, ale právě u vzorků, které se v čase rychle mění, může být sonda v klíčový moment mimo oblast zájmu. Okamžik změny odehrávající se i v milisekundách tak není zachycen plynule a vědcům kvůli tomu může uniknout důležitý detail. Ve snaze o co nejrychlejší skenování proto výzkumníci po celém světě hledají různá řešení, většinou založená na úpravě mikroskopů tak, aby se hrot pohyboval rychleji. Jenomže mechanické zrychlení sondy má za následek vyšší chybovost, například z důvodu přílišných vibrací. „Vzhledem k tomu, že si uvědomujeme limity, které má skenovací mikroskopie už ze své podstaty, jsme se rozhodli vydat zcela jinou cestou a chceme problém obejít spíše chytřejším měřením než zásadní úpravou hardwaru,“ dodává Klapetek.

CEITEC VUT: Vědci z CEITEC pracují na až pětinásobném zvýšení rychlosti "vysokorychlostní mikroskopie"

Softwarové zrychlení překoná konstrukční limity

Jedním z hlavních úkolů projektu proto budou návrhy možných tvarů drah, které sice i nadále zůstanou pravidelné, ale budou uspořádané ve zcela jiných vzorech tak, aby se maximalizovalo množství informace získané v minimálním čase. Tento postup by měl i díky efektivnějšímu zpracování dat zvýšit rychlost skenování až pětkrát. „Právě zpracování dat je pro nás zcela zásadní. Potřebujeme proto vyvinout algoritmy umělé inteligence, které zvládnou analyzovat a interpretovat snímky i z takto rozvolněného rastru přímo, aniž by potřebovaly vědět, co se odehrálo ve slepých místech. Což pro nás bude asi ta největší výzva,“ doplňuje za CEITEC VUT spoluřešitel projektu David Nečas s tím, že úlohou CEITEC VUT bude právě design rastrování a tvorba potřebných matematických postupů. Experimentální část zahrnující veškerá měření a testy pak bude probíhat na zařízeních v ČMI.

Výsledkem této tříleté spolupráce by měla být ucelená teoretická metodologie podpořená experimentálními postupy, která najde využití například v biologických laboratořích, kde vědci zkoumají změny chování živých vzorků, typicky buněk, v čase. Posloužit však může i v laboratořích, kde se vyvíjejí a vyrábějí polovodičové čipy. Tam se vysokorychlostní skenovací mikroskopie využívá zejména pro kontrolu kvality a odhalování defektů vzniklých při výrobě. Metoda totiž dokáže měřit nejen tvar a povrchovou strukturu vzorku, ale také jeho elektrické a další vlastnosti. „V praxi by se mohla časem stát i součástí specifických průmyslových aplikací, kde by v rámci kontrolních linek prováděly vysokorychlostní skenovací mikroskopy snímání a vyhodnocování prakticky v reálném čase,“ říká na závěr David Nečas.

CEITEC VUT: Vědci z CEITEC pracují na až pětinásobném zvýšení rychlosti "vysokorychlostní mikroskopie"

VUT v Brně aktuálně spolupracuje s Českým metrologickým institutem a dalšími partnery z akademické i průmyslové sféry také na evropském projektu DINAMO, který se zabývá vývojem metod pro zpracování dat při kalibraci všech typů mikroskopů se skenovací sondou. Tým, který za VUT jako hlavní řešitel vede právě David Nečas, se v tomto výzkumu zaměřuje na standardizaci vytvořených postupů, aby i vědci, kteří nejsou specialisté přímo na tento typ mikroskopů, dokázali sami zařízení jednoduše nastavit a své vzorky měřili co nejpřesněji.