How big is Nog net zichtbaar met een elektronenmicroscoop?

Een elektronenmicroscoop maakt beelden met een bundel elektronen in plaats van met licht, en kan losse atomen zichtbaar maken. Anno 2026 kunnen de beste elektronenmicroscopen details onderscheiden die ongeveer 20 picometer uit elkaar liggen, ongeveer een vijfde van de breedte van een waterstofatoom. Een picometer is een biljoenste van een meter.

Grootte

Dit getal is een resolutie en niet de grootte van een object. De resolutie van een microscoop is de kleinste afstand waarop twee punten nog als twee afzonderlijke punten te zien zijn in plaats van als één vlek. De kleinste dingen die een elektronenmicroscoop laat zien, zijn losse atomen, en de beste instrumenten kunnen nu details onderscheiden die een fractie van de breedte van een atoom uit elkaar liggen.

Onvolkomenheden in de magnetische lenzen die de elektronenbundel focussen, beperkten de scherpste beelden vroeger tot ongeveer 100 picometer. Lenscorrectoren veranderden dat. In 2008 presenteerde het Lawrence Berkeley National Laboratory TEAM 0.5, een microscoop die was ontworpen om een halve ångström te bereiken, oftewel 50 picometer. Het team meldde later dat het paren germaniumatomen kon onderscheiden die 47 picometer uit elkaar lagen.

Een computermethode die elektronenptychografie heet, verlegde het record daarna nog verder. Een team van Cornell University haalde in 2018 een resolutie van 39 picometer en in 2021 ongeveer 20 picometer. In 2024 meldde een team van de Tsinghua-universiteit in China details tot 14 picometer, waarbij een andere maat voor de resolutie werd gebruikt. Het precieze record hangt ervan af hoe de resolutie wordt gemeten.

Groottevergelijkingen

Een waterstofatoom, ongeveer 0,1 nanometer breed, is ongeveer vijf keer zo breed als het fijnste detail dat deze microscopen kunnen onderscheiden.
Als een waterstofatoom werd vergroot tot de grootte van een basketbal, ongeveer 24 centimeter breed, zou de microscoop details kunnen onderscheiden die ongeveer 4,5 centimeter uit elkaar liggen.
Een gewone lichtmicroscoop kan geen details onderscheiden die minder dan ongeveer 0,2 micrometer uit elkaar liggen. Dat is 10.000 keer de afstand die de beste elektronenmicroscopen kunnen onderscheiden. Een micrometer is een miljoenste van een meter.
Twintig picometer is 0,2 ångström. Bindingen tussen atomen zijn meestal 1–2 ångström lang, 5–10 keer zo lang als het fijnste detail dat wordt onderscheiden.
Ongeveer 4–5 miljoen van de fijnste details die kunnen worden onderscheiden, zouden naast elkaar over de breedte van een mensenhaar passen.

Waarom elektronen fijnere details laten zien dan licht

Conventionele microscopen kunnen geen details onderscheiden die veel kleiner zijn dan de golflengte van wat ze gebruiken om te zien. Een golflengte is de afstand van de ene golftop tot de volgende. Voor een gewone lichtmicroscoop ligt de grens bij ongeveer 0,2 micrometer, zoals de microscopist Ernst Abbe in 1873 afleidde.

Elektronen gedragen zich ook als golven, met veel kortere golflengten dan licht. De snelle elektronen die in veel van deze microscopen worden gebruikt, hebben een golflengte van ongeveer 2 picometer. In principe maakt dat veel fijnere details mogelijk dan licht ooit zou kunnen. In de praktijk bleven elektronenmicroscopen door onvolkomen lenzen ver van die grens verwijderd, en correctoren en computermethoden hebben het verschil sindsdien kleiner gemaakt.

Hoe de nieuwste beelden worden gemaakt

Elektronenptychografie vertrouwt niet alleen op lenzen. De microscoop tast een monster met zijn bundel af in overlappende punten en registreert bij elk punt hoe de elektronen verstrooid raken. Computeralgoritmen bepalen dan welke vorm het monster moet hebben om die patronen te geven, en bouwen daaruit het beeld op.

De beelden uit 2021 van Cornell toonden een kristal dat 100 miljoen keer was vergroot. Bij die resolutie komt de belangrijkste resterende onscherpte van de atomen zelf, die door warmte voortdurend trillen. De leider van het team, David Muller, beschreef dit als in feite een uiterste grens voor de resolutie.