С 1910-х годов ученые смогли отобразить в 3D атомные структуры кристаллов, другого основного класса твердых тел, что привело к бесчисленным достижениям в физике, химии, биологии, материаловедении, геологии, нанонауке, открытии лекарств и многом другом. Но поскольку аморфные твердые тела не собираются в жесткие повторяющиеся атомные структуры, как кристаллы, они бросают вызов способности исследователей определять их атомную структуру с тем же уровнем точности.
До сих пор это.
Исследование под руководством Калифорнийского университета в Лос-Анджелесе в журнале Nature сообщает о первом в истории определении трехмерной атомной структуры аморфного твердого тела – в данном случае материала, называемого металлическим стеклом.
«Мы так много знаем о кристаллах, но большая часть вещества на Земле некристаллическая, и мы так мало знаем об их атомной структуре», – сказал старший автор исследования Цзяньвэй «Джон» Мяо, профессор физики и астрономии Калифорнийского университета в Лос-Анджелесе. член Калифорнийского института наносистем при Калифорнийском университете в Лос-Анджелесе.
Наблюдение за трехмерным атомным расположением аморфного твердого тела было мечтой Мяо с тех пор, как он был аспирантом.
Эта мечта осуществилась после 22 лет неустанных поисков.
"Это исследование только что открыло новую дверь", – сказал он.
Металлические очки, как правило, более прочны и имеют большую форму, чем стандартные кристаллические металлы, и сегодня они используются в различных продуктах, от электрических трансформаторов до высококлассных клюшек для гольфа и корпусов для ноутбуков Apple и других электронных устройств. Понимание атомной структуры металлических стекол может помочь инженерам разработать еще более совершенные версии этих материалов для еще более широкого круга приложений.
Исследователи использовали метод, называемый атомной электронной томографией, тип трехмерного изображения, впервые разработанный Мяо и его сотрудниками. Подход предполагает прохождение электронов через образец и получение изображения с другой стороны. Образец поворачивается так, что измерения можно проводить под разными углами, что дает данные, которые сшиваются вместе для создания трехмерного изображения.
«Мы объединили современную электронную микроскопию с мощными алгоритмами и методами анализа для изучения структур вплоть до уровня отдельных атомов», – сказал соавтор Питер Эрсиус, штатный научный сотрудник Молекулярного литейного цеха Национальной лаборатории Лоуренса Беркли. эксперимент проводился. "Непосредственное знание аморфных структур на этом уровне меняет правила игры для физических наук."
Исследователи изучили образец металлического стекла диаметром около 8 нанометров, сделанный из восьми различных металлов. (Нанометр – это одна миллиардная метра.) Используя 55 изображений атомной электронной томографии, Мяо и его коллеги создали трехмерную карту примерно 18000 атомов, составляющих наночастицу.
Поскольку аморфные твердые тела так сложно охарактеризовать, исследователи ожидали, что атомы будут расположены хаотично.
И хотя около 85% атомов находились в неупорядоченном расположении, исследователям удалось идентифицировать карманы, в которых часть атомов слилась в упорядоченные сверхскопления. Открытие продемонстрировало, что даже в аморфном твердом теле расположение атомов не является полностью случайным.
Мяо признал одно ограничение исследования, связанное с ограничениями самой электронной микроскопии.
Некоторые из атомов металлов были настолько похожи по размеру, что с помощью электронного изображения невозможно было их различить. Для целей исследования исследователи сгруппировали металлы в три категории, объединив соседей из периодической таблицы элементов: кобальт и никель в первую категорию; во втором – рутений, родий, палладий и серебро; и иридий и платина в третьем.
Исследование было поддержано главным образом Научно-техническим центром Национального научного фонда STROBE, заместителем директора которого является Мяо, и частично Университетом США.S.
Департамент энергетики.
«Этот новаторский результат демонстрирует силу трансдисциплинарной команды, – сказал Чарльз Ин, сотрудник программы Национального научного фонда, который курирует финансирование центра STROBE. "Это демонстрирует необходимость долгосрочной поддержки центра для решения этого типа сложного исследовательского проекта."
Соавторами исследования являются аспирант Яо Ян, бывший научный сотрудник проекта Джихан Чжоу, бывший научный сотрудник постдокторантуры Фань Чжу и постдокторант Якун Юань, все нынешние или бывшие члены исследовательской группы Мяо в Калифорнийском университете в Лос-Анджелесе.
Другими соавторами UCLA являются аспиранты Диллан Чанг и Арджун Рана; бывшие постдокторанты Деннис Ким и Сюэзэн Тянь; помощник адъюнкт-профессора математики Минь Фам; и профессор математики Стэнли Ошер.
Другими соавторами являются Юнган Яо и Лянбин Ху из Университета Мэриленда, Колледж-Парк; и Андреас Шмид и Питер Эрсиус из Национальной лаборатории Лоуренса Беркли.
«Эта работа является прекрасной иллюстрацией того, как решать давние грандиозные проблемы путем объединения ученых с разным опытом в области физики, математики, материаловедения и визуализации в тесном сотрудничестве между университетами и национальными лабораториями», – сказала Маргарет Мурнэйн, директор STROBE. центр. «Это потрясающая команда."