Århundrede gammelt problem løst med første gang nogensinde 3D-atomafbildning af et amorft fast stof

Glas, gummi og plast tilhører alle en klasse af stof kaldet amorfe faste stoffer. Og på trods af hvor almindelige de er i vores hverdag, amorfe faste stoffer har længe udgjort en udfordring for forskere.

Siden 1910'erne har forskere har kunnet kortlægge atomstrukturer i krystaller i 3D, den anden store klasse af faste stoffer, hvilket har ført til utallige fremskridt inden for fysik, kemi, biologi, materialevidenskab, geologi, nanovidenskab, opdagelse af medicin og mere. Men fordi amorfe faste stoffer ikke er samlet i stive, gentagne atomstrukturer som krystaller er, de har trodset forskernes evne til at bestemme deres atomstruktur med samme præcisionsniveau.

Indtil nu, det er.

En UCLA-ledet undersøgelse i tidsskriftet Natur rapporterer om den første nogensinde bestemmelse af 3D-atomstrukturen af ​​et amorft fast stof-i dette tilfælde, et materiale kaldet metallisk glas.

"Vi ved så meget om krystaller, alligevel er det meste af sagen på Jorden ikke-krystallinsk, og vi ved så lidt om deres atomstruktur, "sagde undersøgelsens seniorforfatter, Jianwei "John" Miao, en UCLA -professor i fysik og astronomi og medlem af California NanoSystems Institute ved UCLA.

At observere 3D -atomarrangementet af et amorft fast stof har været Miaos drøm, siden han var kandidatstuderende. Den drøm er nu blevet realiseret, efter 22 års ubarmhjertig forfølgelse.

"Denne undersøgelse åbnede lige en ny dør, " han sagde.

Metalliske glas har en tendens til at være både stærkere og mere formbare end standard krystallinske metaller, og de bruges i dag i produkter lige fra elektriske transformere til avancerede golfkøller og hus til Apple bærbare computere og andre elektroniske enheder. At forstå metalstrukturen i atomstrukturen kan hjælpe ingeniører med at designe endnu bedre versioner af disse materialer, til en endnu bredere vifte af applikationer.

Forskerne brugte en teknik kaldet atomart elektron tomografi, en form for 3D -billeddannelse, der er banebrydende af Miao og samarbejdspartnere. Fremgangsmåden involverer stråling af elektroner gennem en prøve og indsamling af et billede på den anden side. Prøven roteres, så målinger kan tages fra flere vinkler, giver data, der er syet sammen for at producere et 3D -billede.

"Vi kombinerede state-of-the-art elektronmikroskopi med kraftfulde algoritmer og analyseteknikker til at studere strukturer ned til niveauet af enkeltatomer, "sagde medforfatter Peter Ercius, en personaleforsker ved Lawrence Berkeley National Laboratory's Molecular Foundry, hvor forsøget blev udført. "Direkte viden om amorfe strukturer på dette niveau er en spilskifter for de fysiske videnskaber."

Forskerne undersøgte en prøve af metalglas med en diameter på cirka 8 nanometer, lavet af otte forskellige metaller. (Et nanometer er en milliarddel af en meter.) Ved hjælp af 55 atomart elektron tomografi billeder, Miao og kolleger lavede et 3D -kort over de cirka 18, 000 atomer, der udgjorde nanopartiklen.

Fordi amorfe faste stoffer har været så vanskelige at karakterisere, forskerne forventede atomer blev arrangeret kaotisk. Og selvom omkring 85% af atomerne var i et uordnet arrangement, forskerne var i stand til at identificere lommer, hvor en brøkdel af atomer samledes til bestilte superklynger. Fundet viste, at selv inden for et amorft fast stof, arrangementet af atomer er ikke helt tilfældigt.

Miao anerkendte en begrænsning af forskningen, båret af grænserne for selve elektronmikroskopi. Nogle af metalatomerne var så ens i størrelse, at elektronbilleddannelse ikke kunne skelne mellem dem. Med henblik på undersøgelsen, forskerne grupperede metallerne i tre kategorier, forene naboer fra det periodiske system af elementer:kobolt og nikkel i den første kategori; ruthenium, rhodium, palladium og sølv i det andet; og iridium og platin i den tredje.

Forskningen blev primært støttet af STROBE National Science Foundation Science and Technology Center, hvoraf Miao er vicedirektør, og delvist af det amerikanske energiministerium.

"Dette banebrydende resultat er et eksempel på kraften i et tværfagligt team, "sagde Charles Ying, National Science Foundation -programansvarlig, der fører tilsyn med midlerne til STROBE -centret. "Det viser behovet for langsigtet support af et center for at løse denne type komplekse forskningsprojekter."

Undersøgelsens første forfattere er kandidatstuderende Yao Yang, tidligere assisterende projektforsker Jihan Zhou, tidligere postdoktorforsker Fan Zhu, og postdoktorforsker Yakun Yuan, alle nuværende eller tidligere medlemmer af Miaos forskergruppe ved UCLA. Andre UCLA-medforfattere er kandidatstuderende Dillan Chang og Arjun Rana; tidligere postdoktorer Dennis Kim og Xuezeng Tian; adjunkt adjungeret professor i matematik Minh Pham; og matematikprofessor Stanley Osher.

Andre medforfattere er Yonggang Yao og Liangbing Hu fra University of Maryland, College Park; og Andreas Schmid og Peter Ercius fra Lawrence Berkeley National Laboratory.

"Dette arbejde er en god illustration af, hvordan man kan håndtere mangeårige store udfordringer ved at samle forskere med mange forskellige baggrunde inden for fysik, matematik, materialer og billedvidenskab, med stærke partnerskaber mellem universiteter og nationale laboratorier, "sagde Margaret Murnane, direktør for STROBE -centret. "Dette er et spektakulært hold."