Para explicar por que ele ama a microscopia eletrônica, o professor associado James LeBeau usa uma analogia: ele compara a técnica, que usa feixes de elétrons para iluminar materiais em uma escala milhares de vezes menor que os microscópios convencionais, ao inverso da astronomia.

“É descobrir coisas que nenhum humano jamais viu antes que realmente captura a imaginação”, diz LeBeau. “Há uma beleza na maneira como os átomos são organizados em materiais, particularmente em defeitos, que dão origem a todos os tipos de comportamento material.”

LeBeau usou essa paixão para desenvolver novas técnicas de coleta e interpretação de dados em microscopia eletrônica que podem ser usadas para descrever materiais de forma mais abrangente. Ele aplicou essas técnicas para explicar o comportamento dos materiais em campos da eletrônica e óptica ao armazenamento de energia, computação quântica e muito mais.

“Além de explicar as propriedades do material, há também um componente computacional significativo na microscopia eletrônica, pois ela é usada para analisar dados que podem ter sido negligenciados anteriormente e para tirar conclusões sobre os dados de novas maneiras. E, com a criação da faculdade de computação, é um momento emocionante para estar no MIT”, diz ele.

LeBeau se interessou por engenharia enquanto ajudava seu pai a construir e consertar coisas em casa, e descobriu o amor pela ciência ainda jovem.

“A ciência pode fornecer uma explicação do mundo ao nosso redor além das crenças sobrenaturais”, diz LeBeau. “Para mim, a ciência era sobre dar sentido ao mundo.”

LeBeau aprendeu sobre ciência dos materiais pela escola técnica que frequentou em Indiana. Mas foi só quando ele se formou no Rensselaer Polytechnic Institute, em Nova York, que algumas experiências cruciais ajudaram a definir seu curso na vida.

Durante seu primeiro ano, ele participou de um projeto usando ciência de dados para prever propriedades de materiais.

“Depois disso, fiquei viciado e, naquele momento, sabia que queria seguir o caminho acadêmico”, lembra ele. “Só poder explorar as coisas e ter essa liberdade acadêmica realmente me atraiu.”

Alguns anos depois, em 2005, LeBeau participou de um programa de pesquisa de verão para alunos de graduação no que hoje é o Laboratório de Pesquisa de Materiais do MIT. A experiência, na qual integrou biopolímeros em um processo de fundição, despertou seu interesse em usar a ciência dos materiais para a sustentabilidade. A paixão dos pesquisadores do MIT também deixou uma impressão duradoura nele.

Finalmente, no último ano, LeBeau teve seu primeiro gosto pela microscopia eletrônica.

“Estávamos no laboratório no meio da noite analisando esses materiais, e essa empolgação chamou minha atenção bem cedo”, diz LeBeau. “Não importava o quanto eu estivesse trabalhando – eu adorava fazer isso, e isso preparou o cenário para o resto da minha carreira.”

Durante seu doutorado na Universidade da Califórnia em Santa Bárbara, LeBeau fez parte de uma equipe que mostrou que a teoria e o experimento da microscopia eletrônica de transmissão de varredura estão em muito bom acordo e, por sua vez, que os atogramas (um milionésimo de um trilionésimo de grama) de material poderia ser pesado diretamente de imagens de microscopia eletrônica sem a necessidade de padrões de calibração de microscópio externo.

LeBeau também descobriu uma paixão por andar de bicicleta pelas montanhas perto do campus da UC Barbara, uma atividade que ele continua pedalando milhares de quilômetros por ano, inclusive para o MIT quase todos os dias, independentemente do clima.

Após seu doutorado, LeBeau aceitou um cargo de professor na North Carolina State University, onde trabalhou por oito anos antes de uma posição semelhante ser aberta no MIT em 2019.

Desde sua mudança para o MIT, LeBeau tem ajudado o Instituto a adotar equipamentos de microscopia eletrônica de última geração que pesquisadores de todo o campus têm aproveitado no MIT.nano e em outros lugares.

“Como microscopista eletrônico, o equipamento que uso é extremamente caro para manter e exige que se torne um recurso compartilhado. Estou feliz que seja o caso porque, em última análise, os usuários de todo o campus se beneficiam dessas ferramentas e avançam em sua ciência por meio dessa infraestrutura compartilhada”, diz LeBeau. “Mais amplamente, o microscópio desafia rotineiramente o que as pessoas pensavam que sabiam sobre os materiais que estão estudando. Os resultados são sempre emocionantes.”

Quando é a vez de seu grupo ligar o microscópio, LeBeau diz que eles tentam ir atrás de problemas difíceis que exigem novas formas de coletar e interpretar dados.

“Escolhemos perguntas que não são fáceis de responder por meio de outros métodos e que exigem novas maneiras de extrair informações de nossos conjuntos de dados para tirar conclusões”, diz LeBeau.

Um tipo de material que LeBeau estudou são os ferroelétricos relaxantes, que são usados ??para aplicações que incluem ultra-sons, atuadores e armazenamento de energia. Os materiais vêm sendo estudados há décadas, mas são extremamente heterogêneos em nanoescala, dificultando a explicação de suas propriedades eletromecânicas. Ao analisar a estrutura dos materiais usando novas técnicas de microscopia eletrônica, o grupo de LeBeau conseguiu explicar suas propriedades de uma forma que poderia ajudar a criar versões mais sustentáveis ??do material, que atualmente contém chumbo.

“O impacto está sempre na vanguarda de tudo o que fazemos”, explica LeBeau. “Quando vamos atrás de problemas, o espaço do aplicativo é muito importante porque nos diz se os insights podem mudar a maneira como um espaço inteiro opera.”

Uma área da pesquisa de LeBeau explora maneiras de usar o aprendizado de máquina para ajudar o microscópio a coletar dados mais rapidamente do que um humano.

“A microscopia eletrônica de transmissão geralmente é uma técnica muito lenta”, explica LeBeau. “Mas você pode imaginar um caso em que um microscópio autônomo é capaz de alinhar um microscópio e amostrar muito mais rápido e de maneira muito mais reproduzível do que um humano. Isso nos permitiria coletar uma descrição estatística completa do material. É aí que o aprendizado de máquina pode desempenhar um papel: extrair mais dados do que já adquirimos, mas também na própria aquisição.”

De fato, tornar a microscopia eletrônica mais quantitativa e reprodutível tem sido um tema da carreira de LeBeau. Mas ele não acredita que quantificar algo venha à custa da criatividade.

“A ciência é verdadeiramente uma saída criativa”, diz LeBeau. “A criatividade vem não apenas da criação de novos projetos ou teorias de experimentos, mas também de decidir como apresentar seus dados de maneira visualmente atraente e informativa. Há um grande elemento criativo no que fazemos.”