Les concepteurs de puces informatiques, les spécialistes des matériaux, les biologistes et d’autres scientifiques ont désormais un niveau d’accès sans précédent au monde des matériaux à l’échelle nanométrique grâce à un logiciel de visualisation 3D qui se connecte directement à un microscope électronique, permettant aux chercheurs de voir et de manipuler des visualisations 3D de nanomatériaux en temps réel. .
Développées par une équipe d’ingénieurs et de développeurs de logiciels dirigée par l’Université du Michigan, les fonctionnalités sont incluses dans une nouvelle version bêta de tomviz, un outil de visualisation de données 3D open source déjà utilisé par des dizaines de milliers de chercheurs. La nouvelle version réinvente le processus de visualisation, permettant de passer d’échantillons au microscope à des visualisations 3D en quelques minutes au lieu de plusieurs jours.
En plus de générer des résultats plus rapidement, les nouvelles fonctionnalités permettent aux chercheurs de voir et de manipuler des visualisations 3D au cours d’une expérience en cours. Cela pourrait accélérer considérablement la recherche dans des domaines tels que les microprocesseurs, les batteries de véhicules électriques, les matériaux légers et bien d’autres.
« C’est un rêve de longue date de l’industrie des semi-conducteurs, par exemple, de pouvoir faire de la tomographie en une journée, et ici nous l’avons réduit à moins d’une heure », a déclaré Robert Hovden, professeur adjoint de science des matériaux et ingénierie à l’UM et auteur correspondant sur l’article, publié dans Communication Nature. « Vous pouvez commencer à interpréter et à faire de la science avant même d’avoir terminé une expérience. »
Hovden explique que le nouveau logiciel extrait les données directement d’un microscope électronique lors de sa création et affiche les résultats immédiatement, un changement fondamental par rapport aux versions précédentes de tomviz. Dans le passé, les chercheurs recueillaient des données à partir du microscope électronique, qui prenait des centaines d’images de projection bidimensionnelle d’un nanomatériau sous plusieurs angles différents. Ensuite, ils ont ramené les projections au laboratoire pour les interpréter et les préparer avant de les transmettre à tomviz, ce qui prendrait plusieurs heures pour générer une visualisation 3D d’un objet. L’ensemble du processus prenait des jours à une semaine, et un problème avec une étape du processus impliquait souvent de recommencer.
La nouvelle version de tomviz effectue toute l’interprétation et le traitement sur place. Les chercheurs obtiennent en quelques minutes un rendu 3D sombre mais utile, qui se transforme progressivement en une visualisation détaillée.
« Lorsque vous travaillez dans un monde invisible comme les nanomatériaux, vous ne savez jamais vraiment ce que vous allez trouver tant que vous ne commencez pas à le voir », a déclaré Hovden. « Ainsi, la possibilité de commencer à interpréter et à faire des ajustements pendant que vous êtes encore au microscope fait une énorme différence dans le processus de recherche. »
La vitesse même du nouveau processus pourrait également être utile dans l’industrie – les fabricants de puces semi-conductrices, par exemple, pourraient utiliser la tomographie pour effectuer des tests sur de nouvelles conceptions de puces, à la recherche de défaillances dans des circuits nanométriques tridimensionnels bien trop petits pour être vus. Dans le passé, le processus de tomographie était trop lent pour exécuter les centaines de tests requis dans une installation commerciale, mais Hovden pense que tomviz pourrait changer cela.
Hovden souligne que tomviz peut être exécuté sur un ordinateur portable grand public standard. Il peut se connecter à des modèles de microscopes électroniques plus récents ou plus anciens. Et parce qu’il est open-source, le logiciel lui-même est accessible à tous.
« Le logiciel open source est un excellent outil pour renforcer la science à l’échelle mondiale. Nous avons établi le lien entre tomviz et le microscope indépendamment du fabricant de microscope », a déclaré Hovden. « Et parce que le logiciel ne regarde que les données du microscope, il ne se soucie pas de savoir si ce microscope est le dernier modèle d’UM ou une machine vieille de vingt ans. »
Pour développer les nouvelles capacités, l’équipe UM s’est appuyée sur son partenariat de longue date avec le développeur de logiciels Kitware et a également fait appel à une équipe de scientifiques qui travaillent à l’intersection de la science des données, de la science des matériaux et de la microscopie.
Au début du processus, Hovden a travaillé avec Marcus Hanwell de Kitware et du Brookhaven National Laboratory pour affiner l’idée d’une version de tomviz qui permettrait la visualisation et l’expérimentation en temps réel. Ensuite, les développeurs de Hovden et Kitware ont collaboré avec le chercheur diplômé en science et ingénierie des matériaux de l’UM Jonathan Schwartz, le chercheur en microscopie Yi Jiang et l’expert en apprentissage automatique et en science des matériaux Huihuo Zheng, tous deux du Laboratoire national d’Argonne, pour créer des algorithmes capables de transformer rapidement et avec précision des images de microscopie électronique. dans des visualisations 3D.
Une fois les algorithmes terminés, David Muller, professeur de physique appliquée et d’ingénierie à Cornell, et Peter Ericus, chercheur à la fonderie moléculaire du laboratoire de Berkeley, ont travaillé avec Hovden pour concevoir une interface utilisateur qui prendrait en charge les nouvelles capacités.
Enfin, Hovden s’est associé au professeur de science et d’ingénierie des matériaux Nicholas Kotov, au scientifique de premier cycle Jacob Pietryga, au chercheur en biointerfaces Anastasiia Visheratina et au chercheur en génie chimique Prashant Kumar, tous à l’UM, pour synthétiser une nanoparticule qui pourrait être utilisée pour des tests dans le monde réel. des nouvelles capacités, à la fois pour assurer leur précision et montrer leurs capacités. Ils ont opté pour une nanoparticule en forme d’hélice, d’environ 100 nanomètres de large et 500 nanomètres de long. La nouvelle version de tomviz a fonctionné comme prévu ; en quelques minutes, il a généré une image sombre mais suffisamment détaillée pour que les chercheurs puissent distinguer des détails clés comme la façon dont la nanoparticule se tord, connue sous le nom de chiralité. Environ 30 minutes plus tard, les ombres se sont résolues en une visualisation tridimensionnelle détaillée.
Le code source de la nouvelle version bêta de tomviz est téléchargeable gratuitement sur GitHub. Hovden pense que cela ouvrira de nouvelles possibilités dans des domaines allant au-delà de la recherche liée aux matériaux ; des domaines comme la biologie sont également sur le point de bénéficier de l’accès à la tomographie électronique en temps réel. Il espère également que l’approche « logiciel en tant que science » du projet stimulera de nouvelles innovations dans les domaines de la science et du développement de logiciels.
« Nous avons vraiment une approche interdisciplinaire de la recherche aux intersections de l’informatique, de la science des matériaux, de la physique et de la chimie », a déclaré Hovden. « C’est une chose de créer des algorithmes vraiment sympas que seuls vous et vos étudiants diplômés savez utiliser. C’en est une autre si vous pouvez permettre aux laboratoires du monde entier de faire ces choses à la pointe de la technologie. »
Les collaborateurs de Kitware sur le projet étaient Chris Harris, Brainna Major, Patrick Avery, Utkarsh Ayachit, Berk Geveci, Alessandro Genova et Hanwell. Kotov est également professeur émérite de l’Université Irving Langmuir en sciences et génie chimiques, professeur d’ingénierie Joseph B. et Florence V. Cejka, et professeur de génie chimique et de science et génie macromoléculaires.
« Je suis ravi de toutes les nouvelles découvertes scientifiques et visualisations 3D qui sortiront de la communauté des sciences des matériaux et de la microscopie avec notre nouveau cadre de tomographie en temps réel », a déclaré Schwartz.
Jonathan Schwartz et al, Analyse 3D en temps réel pendant la tomographie électronique à l’aide de tomviz, Communication Nature (2022). DOI : 10.1038/s41467-022-32046-0