Open-Source-Software ermöglicht es Forschern, nanoskalige Strukturen in Echtzeit zu visualisieren

Computerchipdesigner, Materialwissenschaftler, Biologen und andere Wissenschaftler haben jetzt dank 3D-Visualisierungssoftware, die direkt mit einem Elektronenmikroskop verbunden ist, einen beispiellosen Zugang zur Welt der Nanomaterialien, sodass Forscher 3D-Visualisierungen von Nanomaterialien in Echtzeit sehen und bearbeiten können .

Die Funktionen wurden von einem Team aus Ingenieuren und Softwareentwicklern unter der Leitung der University of Michigan entwickelt und sind in einer neuen Beta-Version von tomviz enthalten, einem Open-Source-Tool zur 3D-Datenvisualisierung, das bereits von Zehntausenden von Forschern verwendet wird. Die neue Version erfindet den Visualisierungsprozess neu und ermöglicht es, in Minuten statt Tagen von Mikroskopproben zu 3D-Visualisierungen zu gelangen.

Neben der schnelleren Generierung von Ergebnissen ermöglichen die neuen Funktionen den Forschern, 3D-Visualisierungen während eines laufenden Experiments zu sehen und zu manipulieren. Das könnte die Forschung in Bereichen wie Mikroprozessoren, Batterien für Elektrofahrzeuge, Leichtbaumaterialien und vielen anderen dramatisch beschleunigen.

„Es war zum Beispiel ein langjähriger Traum der Halbleiterindustrie, Tomographie an einem Tag durchführen zu können, und hier haben wir es auf weniger als eine Stunde verkürzt“, sagte Robert Hovden, Assistenzprofessor für Materialwissenschaften und Engineering an der UM und korrespondierender Autor des Artikels, veröffentlicht in Naturkommunikation. „Sie können anfangen zu interpretieren und Wissenschaft zu betreiben, bevor Sie überhaupt mit einem Experiment fertig sind.“

Hovden erklärt, dass die neue Software Daten direkt aus einem Elektronenmikroskop zieht, während sie erstellt werden, und die Ergebnisse sofort anzeigt, eine grundlegende Änderung gegenüber früheren Versionen von Tomviz. In der Vergangenheit sammelten Forscher Daten aus dem Elektronenmikroskop, das Hunderte von zweidimensionalen Projektionsbildern eines Nanomaterials aus verschiedenen Winkeln aufnimmt. Als nächstes brachten sie die Projektionen zurück ins Labor, um sie zu interpretieren und vorzubereiten, bevor sie sie an Tomviz weitergaben, was mehrere Stunden dauern würde, um eine 3D-Visualisierung eines Objekts zu erzeugen. Der gesamte Prozess dauerte Tage bis zu einer Woche, und ein Problem mit einem Schritt des Prozesses bedeutete oft, von vorne zu beginnen.

Die neue Version von Tomviz erledigt die gesamte Interpretation und Verarbeitung vor Ort. Forscher erhalten innerhalb weniger Minuten ein schattenhaftes, aber nützliches 3D-Rendering, das sich allmählich zu einer detaillierten Visualisierung verbessert.

„Wenn Sie in einer unsichtbaren Welt wie Nanomaterialien arbeiten, wissen Sie nie wirklich, was Sie finden werden, bis Sie anfangen, es zu sehen“, sagte Hovden. „Die Möglichkeit, mit der Interpretation zu beginnen und Anpassungen vorzunehmen, während Sie noch am Mikroskop sind, macht also einen großen Unterschied im Forschungsprozess.“

Die schiere Geschwindigkeit des neuen Prozesses könnte auch in der Industrie nützlich sein – Hersteller von Halbleiterchips könnten beispielsweise Tomographie verwenden, um Tests an neuen Chipdesigns durchzuführen und nach Fehlern in dreidimensionalen Schaltkreisen im Nanomaßstab zu suchen, die viel zu klein sind, um sie zu sehen. In der Vergangenheit war der Tomographieprozess zu langsam, um die Hunderte von Tests durchzuführen, die in einer kommerziellen Einrichtung erforderlich sind, aber Hovden glaubt, dass Tomviz das ändern könnte.

Hovden betont, dass Tomviz auf einem handelsüblichen Laptop ausgeführt werden kann. Es kann an neuere oder ältere Modelle von Elektronenmikroskopen angeschlossen werden. Und da es Open Source ist, ist die Software selbst für jedermann zugänglich.

„Open-Source-Software ist ein großartiges Werkzeug, um die Wissenschaft weltweit zu stärken. Wir haben die Verbindung zwischen Tomviz und dem Mikroskop unabhängig vom Mikroskophersteller hergestellt“, sagte Hovden. „Und da die Software nur die Daten des Mikroskops betrachtet, ist es egal, ob das Mikroskop das neueste Modell von UM oder eine zwanzig Jahre alte Maschine ist.“

Um die neuen Fähigkeiten zu entwickeln, stützte sich das UM-Team auf seine langjährige Partnerschaft mit dem Softwareentwickler Kitware und brachte auch ein Team von Wissenschaftlern hinzu, die an der Schnittstelle von Datenwissenschaft, Materialwissenschaft und Mikroskopie arbeiten.

Zu Beginn des Prozesses arbeitete Hovden mit Marcus Hanwell von Kitware und Brookhaven National Laboratory zusammen, um die Idee einer Tomviz-Version zu verfeinern, die Visualisierung und Experimente in Echtzeit ermöglichen würde. Als nächstes arbeiteten die Entwickler von Hovden und Kitware mit Jonathan Schwartz, einem Absolventen der UM für Materialwissenschaften und Ingenieurwesen, Jonathan Schwartz, dem Mikroskopieforscher Yi Jiang und Huihuo Zheng, Experte für maschinelles Lernen und Materialwissenschaften, beide vom Argonne National Laboratory, zusammen, um Algorithmen zu entwickeln, die elektronenmikroskopische Bilder schnell und genau umwandeln können in 3D-Visualisierungen.

Nachdem die Algorithmen fertiggestellt waren, arbeiteten David Muller, Cornell-Professor für angewandte und technische Physik, und Peter Ericus, ein wissenschaftlicher Mitarbeiter an der Molecular Foundry des Berkeley Lab, mit Hovden zusammen, um eine Benutzeroberfläche zu entwerfen, die die neuen Funktionen unterstützen würde.

Schließlich tat sich Hovden mit dem Materialwissenschafts- und Ingenieurprofessor Nicholas Kotov, dem Bachelor-Datenwissenschaftler Jacob Pietryga, der Biogrenzflächen-Forschungsstipendiatin Anastasiia Visheratina und der Chemieingenieur-Forschungsstipendiatin Prashant Kumar, alle an der UM, zusammen, um ein Nanopartikel zu synthetisieren, das für reale Tests verwendet werden könnte der neuen Fähigkeiten, um sowohl ihre Genauigkeit sicherzustellen als auch ihre Fähigkeiten zu demonstrieren. Sie ließen sich auf einem Nanopartikel nieder, das wie eine Helix geformt war, etwa 100 Nanometer breit und 500 Nanometer lang. Die neue Version von Tomviz funktionierte wie geplant; Innerhalb von Minuten erzeugte es ein Bild, das schattenhaft, aber detailliert genug war, damit die Forscher wichtige Details erkennen konnten, wie die Art und Weise, wie sich die Nanopartikel verdrehen, bekannt als Chiralität. Etwa 30 Minuten später lösten sich die Schatten in eine detaillierte, dreidimensionale Visualisierung auf.

Der Quellcode für die neue Beta-Version von Tomviz ist frei zum Download bereit bei GitHub. Hovden glaubt, dass es neue Möglichkeiten für Bereiche jenseits der materialbezogenen Forschung eröffnen wird; Bereiche wie die Biologie sind ebenfalls bereit, vom Zugang zur Echtzeit-Elektronentomographie zu profitieren. Er hofft auch, dass der „Software as Science“-Ansatz des Projekts neue Innovationen in den Bereichen Wissenschaft und Softwareentwicklung vorantreiben wird.

„Wir haben wirklich einen interdisziplinären Forschungsansatz an den Schnittstellen von Informatik, Materialwissenschaften, Physik und Chemie“, sagte Hovden. „Es ist eine Sache, wirklich coole Algorithmen zu entwickeln, die nur Sie und Ihre Doktoranden zu verwenden wissen.

Kitware-Mitarbeiter an dem Projekt waren Chris Harris, Brainna Major, Patrick Avery, Utkarsh Ayachit, Berk Geveci, Alessandro Genova und Hanwell. Kotov ist außerdem Irving Langmuir Distinguished University Professor of Chemical Sciences and Engineering, Joseph B. and Florence V. Cejka Professor of Engineering und Professor of Chemical Engineering and Macromolecular Science and Engineering.

„Ich freue mich auf all die neuen wissenschaftlichen Entdeckungen und 3D-Visualisierungen, die mit unserem neuen Echtzeit-Tomographie-Framework aus der Materialwissenschafts- und Mikroskopie-Community kommen werden“, sagte Schwartz.