如今，计算机芯片设计师、材料科学家、生物学家和其他科学家、可以前所未有地接触纳米级材料世界，这得益于直接连接到电子显微镜的3D可视化软件，使研究人员能够实时看到和操作纳米材料的3D可视化。

由密歇根大学(University of michigan)领导的工程师和软件开发团队开发的新测试版tomviz包含了这种功能，tomviz是一款开源的3D数据可视化工具，已经有数万名研究人员使用，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，这项新功能还使研究人员能够在正在进行的实验中看到和操作3D可视化效果，这将大大加快微处理器、电动汽车电池、轻型材料等领域的研究。

密歇根大学材料科学与工程助理教授、发表在《自然通讯》(Nature Communications)上的这篇论文的通讯作者Robert Hovden：“例如，能够在一天内完成断层扫描是半导体行业长期以来的梦想，而我们现在把它缩短到了不到一小时。你甚至可以在完成实验之前就开始解释和做科学研究。”

Hovden解释说，新软件在创建过程中直接从电子显微镜中提取数据，并立即显示结果，这与以前版本的tomviz相比是一个根本性的改变。在过去，研究人员从电子显微镜收集数据，它从几个不同的角度拍摄了数百张纳米材料的二维投影图像。接下来，他们把这些投影带回实验室进行解读和准备，然后把它们喂给tomviz，这需要几个小时来生成一个物体的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需要重新开始。

新版tomviz在现场进行所有的解读和处理，研究人员在几分钟内得到一个模糊但有用的3D渲染，然后逐渐改进为详细的可视化。

视频链接：https://youtu.be/aiH0_L7XE24

Hovden说：“当你在纳米材料这样的隐形世界中工作时，你永远不知道你会发现什么，直到你开始看到它。所以，当你还在显微镜下时，开始解释和调整的能力对研究过程产生了巨大的影响。”

新工艺的速度之快在工业界也很有用，例如，半导体芯片制造商可以使用断层扫描技术对新的芯片设计进行测试，寻找三维纳米级电路中的故障，因为它们太小了，以至于无法看到。在过去，断层扫描过程太慢，无法进行商业设施所需的数百项测试，但Hovden相信，tomviz可以改变这一状况。

Hovden强调，tomviz可以在标准的消费级笔记本电脑上运行。它可以连接到新的或旧的电子显微镜模型。因为它是开源的，所以每个人都可以使用这个软件。

“开源软件是增强全球科学能力的伟大工具，我们把tomviz和显微镜不可知论者与显微镜制造商联系起来。”Hovden说。“由于该软件只查看显微镜的数据，它并不关心这台显微镜是密歇根大学的最新模型还是20年前的机器。”

为了开发新功能，U-M团队利用了其与软件开发商Kitware的长期合作关系，并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。

在这个过程开始的时候，Hovden与Kitware和Brookhaven国家实验室的Marcus Hanwell合作，完善了tomviz的想法，这将实现实时可视化和实验。接下来，Hovden和Kitware的开发人员与U-M材料科学和工程研究生研究员Jonathan Schwartz、显微镜研究员Yi Jiang和机器学习和材料科学专家Huihuo Zheng合作，他们都来自Argonne国家实验室，建立了能够快速准确地将电子显微镜图像转化为3D可视化的算法。

算法完成后，康奈尔大学应用与工程物理学教授David Muller和伯克利实验室分子Foundry的工作人员科学家Peter Ericus与Hovden一起设计了一个支持新功能的用户界面。

最后，Hovden与密歇根大学材料科学与工程教授Nicholas Kotov、本科生数据科学家Jacob Pietryga、生物界面研究员Anastasiia Visheratina和化学工程研究员Prashant Kumar合作，合成了一种可以用于真实世界测试新能力的纳米颗粒，既确保了它们的准确性，又展示了它们的能力。他们选定了一个螺旋状的纳米颗粒，大约100纳米宽，500纳米长。新版的tomviz按计划运行；在几分钟内，它生成了一张模糊的图像，但它的详细程度足以让研究人员辨认出关键的细节，比如纳米颗粒扭曲的方式，即手性。大约30分钟后，阴影变成了详细的三维可视化。

tomviz新测试版的源代码可以在GitHub上免费下载。Hovden认为，这将为材料相关研究之外的领域打开新的可能性;像生物学这样的领域也将受益于实时电子断层扫描技术，他还希望该项目的“软件即科学”方法将在科学和软件开发领域激发新的创新。

Hovden说：“我们在计算机科学、材料科学、物理和化学的交叉领域开展了跨学科的研究。创造出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，那是另一回事。”

项目的合作者有Chris Harris, Brainna Major, Patrick Avery, Utkarsh Ayachit, Berk Geveci, Alessandro Genova和Hanwell。Kotov也是Irving Langmuir杰出大学化学科学与工程教授，Joseph B.和Florence V. Cejka工程教授，化学工程和大分子科学与工程教授。

Schwartz说：“我对材料科学和显微镜界的所有新科学发现和3D可视化技术感到兴奋，因为我们新的实时断层扫描框架。”

原文链接：https://phys.org/news/2022-08-open-source-software-enables-visualize-nanoscale.html