How big is Minsta objektet som kan ses med ett elektronmikroskop?

Ett elektronmikroskop bildar bilder med en stråle av elektroner i stället för ljus, och det kan visa enskilda atomer. År 2026 kan de bästa elektronmikroskopen urskilja detaljer som ligger cirka 20 picometer från varandra, ungefär en femtedel av bredden hos en väteatom. En picometer är en biljondel av en meter.

Storlek

Den här siffran är en upplösning, inte storleken på ett objekt. Ett mikroskops upplösning är det minsta avstånd där två punkter fortfarande syns som två separata punkter och inte som en enda suddig fläck. De minsta objekt som ett elektronmikroskop visar är enskilda atomer, och de bästa instrumenten kan nu upplösa detaljer som ligger en bråkdel av en atoms bredd från varandra.

Förr begränsade brister i de magnetiska linser som fokuserar elektronstrålen de skarpaste bilderna till cirka 100 picometer. Korrektorer som rättar till linsfelen ändrade på det. År 2008 presenterade Lawrence Berkeley National Laboratory TEAM 0.5, ett mikroskop som var konstruerat för att nå en halv ångström, eller 50 picometer. Forskargruppen bakom mikroskopet rapporterade senare att man hade kunnat upplösa par av germaniumatomer som ligger 47 picometer från varandra.

En datormetod som kallas elektronptykografi flyttade sedan rekordet längre. Ett forskarlag vid Cornell University nådde 39 picometer år 2018 och cirka 20 picometer år 2021. År 2024 rapporterade ett forskarlag vid Tsinghuauniversitetet i Kina detaljer ner till 14 picometer, med ett annat mått på upplösning. Det exakta rekordet beror på hur upplösningen mäts.

Storleksjämförelser

En väteatom, cirka 0,1 nanometer i diameter, är ungefär fem gånger så bred som den finaste detalj som dessa mikroskop kan upplösa.
Om en väteatom förstorades till storleken av en basketboll, cirka 24 centimeter i diameter, skulle mikroskopet kunna urskilja detaljer som ligger cirka 4,5 centimeter från varandra.
Ett vanligt ljusmikroskop kan inte upplösa detaljer som ligger närmare varandra än cirka 0,2 mikrometer. Det är 10 000 gånger det avstånd som de bästa elektronmikroskopen kan upplösa. En mikrometer är en miljondel av en meter.
Tjugo picometer är 0,2 ångström. Bindningar mellan atomer är oftast 1–2 ångström långa, 5–10 gånger så långa som den finaste detalj som kan upplösas.
Cirka 4–5 miljoner av de finaste detaljer som går att upplösa skulle få plats tvärs över bredden av ett människohår.

Varför elektroner visar finare detaljer än ljus

Vanliga mikroskop kan inte upplösa detaljer som är mycket mindre än våglängden hos det de använder för att se. En våglängd är avståndet från en vågtopp till nästa. För ett vanligt ljusmikroskop är gränsen cirka 0,2 mikrometer, vilket mikroskopisten Ernst Abbe räknade ut år 1873.

Elektroner beter sig också som vågor, med mycket kortare våglängd än ljus. De snabba elektroner som används i många sådana mikroskop har en våglängd på cirka 2 picometer. I princip ger det möjlighet till mycket finare detaljer än ljus någonsin kan ge. I praktiken höll felaktiga linser elektronmikroskopen långt ifrån den gränsen, och korrektorer och datormetoder har sedan dess minskat glappet.

Hur de nyaste bilderna tas fram

Elektronptykografi förlitar sig inte bara på linser. Mikroskopet skannar sin stråle över ett prov i överlappande punkter och registrerar hur elektronerna sprids i var och en. Datoralgoritmer räknar sedan ut vilken form på provet som skulle ge de mönstren och bygger upp bilden utifrån dem.

Bilderna från Cornell år 2021 visade en kristall som var förstorad 100 miljoner gånger. Vid den upplösningen kommer den största kvarvarande oskärpan från själva atomerna, som hela tiden vibrerar på grund av värme. Gruppens ledare, David Muller, beskrev detta som i praktiken en yttersta gräns för upplösning.