Hi~, 我们是来自加州大学Irvine分校（UCI）的DeepEM实验室。Deep取自深度学习，EM则代表先进的电子显微技术。我们致力于研究先进的纳米材料表征技术，并将其和深度学习结合，实现人工智能在材料分析中的应用。
今天小编为大家介绍实验室重点研究领域之二：冷冻电镜与低剂量技术在软材料界面/自组装中的应用。
一、软材料的结构研究
图一：DNA大分子链（左），锂金属树突（右）
不同于上一篇讲的晶体材料，软物质材料一般由大分子或基团组成，包括聚合物、胶体、颗粒物质、生命体系物质（如DNA、蛋白质）等，在自然界、生命体中广泛存在。然而长久以来，软材料的研究都局限于光谱，质谱等观察，由于温度及电子敏感等特性，无法通过传统的透射电镜技术实现结构的观察。近年来随着冷冻电镜（cryo-TEM）和低电子剂量（low-dose）技术的发展，这些敏感性材料也得以深入的研究。
2017年，斯坦福Yi Cui课题组和UCSD的Shirley Meng课题组同期通过cryo-TEM技术研究了锂离子电池界面以及锂金属/固态电解质界面的反应机制；类似的，后续在2018年，康奈尔的Lena Kourkoutis和Lynden Archer课题组通过cryo-STEM技术研究了锂金属电池液固界面，这一系列重磅文章激起了材料界对原位表征界面和易损伤材料的重视，也足以说明目前cryo-EM和cryo-STEM对于材料界面研究的重要性。（Science 27 Oct 2017 : 506-510；Nano Lett. 2017, 17, 12, 7606-7612；Nature, 2018, 560(7718): 345.）
二、低剂量技术测试生物矿物材料
其实早在2009年，Xin课题组就提出并实现STEM技术研究软硬物质界面，通过低剂量电子束（low dose）结合3D重构，清楚的实现了有机纤维/无机晶体界面的描绘以及深入的研究。这项工作开创性的利用了低剂量TEM手段，揭示了生物矿物内部结构，以及有机/无机界面的研究。
图二：有机纤维/碳酸钙晶体界面
代表作：
Science, 2009, 326(5957): 1244-1247.
三、Cryo-(S)TEM在软材料自组装的应用
在2015~2016年期间，Xin课题组非常前瞻性的将cryo-EM和cryo-STEM的技术引入到软材料（聚合物，DNA等）及软硬材料自组装的领域，这也一定程度上为后续cryo技术在能源材料里的应用奠定了基础。
2015年，Xin Group和石溪大学Li Group合作利用cryoEM研究了利用DNA和Au颗粒自组装得到的八面体3D中尺度团簇。利用重构技术将这种自组装结构清楚的展示出来，从而深入的研究了其自组装机理，对于精确控制3D中尺度自组装材料提供了基础。
图三：cryoEM八面体结构的DNA框架与重构
代表作：
Nature nanotechnology,2015, 10(7): 637.
在2016年，Xin利用cryo-STEM相关技术，实现了众多软材料自组装过程，机理的分析。通过调控DNA链和Au颗粒自组装，得到了四面体结构的Au-DNA单元，而进一步的组装更是得到了大尺度的，具有Diamond，fcc，以及ZB结构的超晶体。cryo-EM手段的使用确认了这种四面体单元的结构。
图四：四面体DNA/Au团簇单元与重构
接着，Xin利用cryo-STEM对超晶格进行研究，确认了这些超晶格的组装结构。
图五：封在冰里的FCC, Diamond, Zinc Blende DNA自主装结构的超晶格（标尺自左向右 500nm，50nm, 0.5 nm）
代表作：
Science, 2016, 351(6273): 582-586.
更进一步的，作者通过调节合成不同的DNA框架/纳米颗粒团簇，从而可控的合成了具有不同晶格结构的大尺度自组装晶体，并且通过cryo-STEM对其冰封超晶格进行观察。
图六：cryo-STEM下不同结构的DNA/NPs超晶格
Nature materials, 2016,15(6): 654.
通过cryo electron tomography技术实现了纳米颗粒表面聚合物图案化的观测，作者通过调控纳米颗粒以及配合聚合物，在纳米颗粒表面复合了不同的聚合物图案。
图七：金颗粒表面自组装聚合物图案
Nature, 2016, 538(7623):79.
四、利用cryo-STEM研究超厚生物材料
利用cryo-STEM的独特优势，Xin课题组研究了超厚的DNA-self assembly样品，在~5微米的厚度下，通过STEM进行成像，在不需破坏超晶格的条件下，得到了清楚的晶格结构，而这是传统包埋切片法无法做到的，对于研究大尺度自组装结构非常重要。而通常情况下，这种厚度的样品由于很高的色差，很难用cryo-TEM进行观测。
图八：厚样品的cryo-(S)TEM图像对比以及超晶格的三维重构
Note：TEM模式无法测试这么厚的样品（~5μm），原因是TEM依靠样品下面的物镜成像，而厚样品会引入很强的电子能量损失，从而产生很高的色差，极大的降低了分辨率；除此之外，冷冻有机样品中的冰不可避免的产生结晶，这样产生的衍射会极大的干扰材料本身信号，而且所需的超薄冷冻切片不仅费时费力，更没有办法保持生物材料原本的形貌。Cryo-STEM通过高角散射探测器接收信号，探针不会受到样品或着物镜的影响，此外，如果结合BF-STEM相衬度，会更适合较厚生物材料和整个细胞的三维表征。
导师介绍
忻获麟 教授，本科毕业于北京大学，博士就读于康奈尔大学，后在美国劳伦斯伯克利实验室进行博士后研究。2013年到2018年间，他在布鲁克海文实验室建立了三维原位表征课题组。2018年夏，转职于美国加州大学尓湾分校物理系并建立了以深度学习为基础的人工智能电镜研究组DeepEM Lab。
忻获麟教授是电子显微学领域国际上的知名专家，是电镜行业顶级年会Microscopyand Microanalysis 2020的大会主席以及2019年的大会副主席，是布鲁克海文国家实验室的功能纳米材料中心和劳伦斯伯克利国家实验室提案审查委员会成员，是微束分析学会、美国显微学会、美国纳米学会和Sigma Xi学会的会员，是Nat. Mats, Nat. Energy, Nat. Nanotechnology, Nat. Commun., Science Advances, Joule, Nano Lett., AM 等众多期刊的审稿人。他从事人工智能电镜和深度学习、原子级扫描透射电镜以及能谱相关的理论和技术、高能电子隧道理论以及三维重构理论等方向的研究。除了理论和方法学的研究，他应用三维电子断层扫描术对锂电池、软硬物质界面、金属催化剂等多方面进行了深入的研究。
其课题组发表文章超过150篇，其中在Science，Nat. Mater., Nat. Nanotechnol., Nat. Energy, Nature Commun.这几个顶级期刊上发表文章22篇，（其中七篇作为通讯发表）。他在表征和清洁能源方面的研究受到政府和大型企业的关注，2018年一年他作为项目带头人(Lead PI)得到能源部和企业界超过两百万美元的资助用于其课题组在绿色储能和热催化材料方向的研究。他的课题组(DeepEMLab.com)欢迎致力于研究和拓展电子显微学以及储能、催化、纳米制备、规模生产方向的学生学者加入和访问。
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