借助直接连接到电子显微镜的 3D 可视化软件，计算机芯片设计师、材料科学家、生物学家和其他科学家现在拥有前所未有的访问纳米材料世界的能力，使研究人员能够实时查看和操作纳米材料的 3D 可视化.

这些功能由密歇根大学领导的工程师和软件开发人员团队开发，包含在新的测试版 tomviz 中，这是一种开源 3D 数据可视化工具，已被成千上万的研究人员使用。新版本重塑了可视化过程，可以在几分钟而不是几天内从显微镜样本转换为 3D 可视化。

除了更快地生成结果之外，新功能还使研究人员能够在正在进行的实验中查看和操作 3D 可视化。这可以极大地加速微处理器、电动汽车电池、轻质材料等领域的研究。

“例如，能够在一天内完成断层扫描，这是半导体行业长期以来的梦想，而现在我们将其缩短到不到一个小时，”材料科学助理教授罗伯特·霍夫登 (Robert Hovden) 说。 UM 工程和该论文的通讯作者，发表在Nature Communications上。“你甚至可以在完成实验之前就开始解释和研究科学。”

Hovden 解释说，新软件在创建时直接从电子显微镜中提取数据并立即显示结果，这是与之前版本的 tomviz 的根本变化。过去，研究人员从电子显微镜中收集数据，该显微镜从几个不同的角度拍摄纳米材料的数百个二维投影图像。接下来，他们将投影带回实验室进行解释和准备，然后将它们提供给 tomviz，这需要几个小时才能生成对象的 3D 可视化。整个过程需要几天到一周的时间，过程中的一个步骤出现问题通常意味着重新开始。

新版本的tomviz在现场做所有的解释和处理。研究人员在几分钟内获得了一个模糊但有用的 3D 渲染，并逐渐改进为详细的可视化。

“当你在像纳米材料这样的无形世界中工作时，在你开始看到它之前，你永远不会真正知道你会找到什么，”霍夫登说。“因此，当你还在显微镜下时就开始解释和调整的能力会对研究过程产生巨大的影响。”

新工艺的绝对速度也可能对工业有用——例如，半导体芯片制造商可以使用断层扫描对新芯片设计进行测试，寻找太小而无法看到的三维纳米级电路中的故障。过去，断层扫描过程太慢，无法运行商业设施所需的数百次测试，但 Hovden 相信 tomviz 可以改变这一点。

Hovden 强调，tomviz 可以在标准的消费级笔记本电脑上运行。它可以连接到较新或较旧型号的电子显微镜。而且因为它是开源的，所以每个人都可以访问该软件本身。

“开源软件是增强全球科学能力的绝佳工具。我们将 tomviz 和显微镜之间的联系与显微镜制造商无关，”Hovden 说。“而且由于该软件只查看来自显微镜的数据，它并不关心该显微镜是 UM 的最新型号还是有 20 年历史的机器。”

为了开发新功能，UM 团队利用了与软件开发商 Kitware 的长期合作伙伴关系，还引入了一个在数据科学、材料科学和显微镜交叉领域工作的科学家团队。

在流程开始时，Hovden 与 Kitware 和 Brookhaven 国家实验室的 Marcus Hanwell 合作，磨练了能够实现实时可视化和实验的 tomviz 版本的想法。接下来，Hovden 和 Kitware 的开发人员与阿贡国家实验室的 UM 材料科学与工程研究生研究员 Jonathan Schwartz、显微镜研究员 Yijiang 以及机器学习和材料科学专家 Huihuo Zheng 合作，构建能够快速准确地转换电子显微镜图像的算法进入 3D 可视化。

算法完成后，康奈尔大学应用​​和工程物理学教授 David Muller 和伯克利实验室分子铸造厂的科学家 Peter Ericus 与 Hovden 合作设计了一个支持新功能的用户界面。

最后，Hovden 与 UM 的材料科学与工程教授 Nicholas Kotov、本科数据科学家 Jacob Pietryga、生物界面研究员 Anastasiia Visheratina 和化学工程研究员 Prashant Kumar 合作，合成了一种可用于实际测试的纳米粒子新功能，以确保其准确性并炫耀其功能。他们选择了一个形状像螺旋的纳米粒子，大约 100 纳米宽和 500 纳米长。新版本的 tomviz 按计划运行;在几分钟内，它生成了一张模糊但足够详细的图像，让研究人员能够辨认出关键细节，例如纳米粒子扭曲的方式，即手性。大约 30 分钟后，阴影分解为详细的 3D 可视化。

新 Beta 版 tomviz 的源代码可在 GitHub 上免费下载。Hovden 相信它将为材料相关研究以外的领域开辟新的可能性;生物学等领域也有望从实时电子断层扫描中受益。他还希望该项目的“软件即科学”方法能够激发科学和软件开发领域的新创新。

“在计算机科学、材料科学、物理学、化学的交叉领域，我们确实有一种跨学科的研究方法，”Hovden 说。“创建只有你和你的研究生知道如何使用的非常酷的算法是一回事。如果你能让世界各地的实验室做这些最先进的事情，那就是另一回事了。”

该项目的 Kitware 合作者是 Chris Harris、Brainna Major、Patrick Avery、Utkarsh Ayachit、Berk Geveci、Alessandro Genova 和 Hanwell。Kotov 还是 Irving Langmuir 杰出大学化学科学与工程教授、Joseph B. 和 Florence V. Cejka 工程学教授，以及化学工程和高分子科学与工程教授。

“我对所有新的科学发现和 3D 可视化感到兴奋，这些新发现和 3D 可视化将来自我们新的实时断层扫描框架的材料科学和显微镜社区，”施瓦茨说。