3D-billedundersøgelse afslører, hvordan atomer er pakket i amorfe materialer

Mange stoffer omkring os, fra bordsalt og sukker til de fleste metaller, er arrangeret i krystaller. Fordi deres molekyler er lagt ud i en orden, gentagne mønster, meget er forstået om deres struktur.

Imidlertid, et langt større antal stoffer - herunder gummi, glas og de fleste væsker - mangler den grundlæggende orden hele vejen igennem, gør det svært at bestemme deres molekylære struktur. Til dato, forståelsen af ​​disse amorfe stoffer har næsten udelukkende været baseret på teoretiske modeller og indirekte eksperimenter.

Et UCLA-ledet forskerhold er ved at ændre på det. Ved hjælp af en metode udviklede de til at kortlægge atomstruktur i tre dimensioner, forskerne har direkte observeret, hvordan atomer er pakket i prøver af amorfe materialer. Fundene, offentliggjort i dag i Naturmaterialer , kan fremtvinge en omskrivning af den konventionelle model og informere designet af fremtidige materialer og enheder, der anvender disse stoffer.

"Vi tror, ​​at denne undersøgelse vil have en meget vigtig indflydelse på den fremtidige forståelse af amorfe faste stoffer og væsker - som er blandt de mest udbredte stoffer på Jorden, "sagde undersøgelsens seniorforfatter, Jianwei "John" Miao, en UCLA-professor i fysik og astronomi og medlem af California NanoSystems Institute ved UCLA. "At forstå de grundlæggende strukturer kan føre til dramatiske fremskridt inden for teknologi."

Startende i 1952 med arbejde af den britiske fysiker Frederick Charles Frank, den fremherskende videnskabelige forståelse har været, at atomer og molekyler i et flydende eller amorft fast stof generelt passer sammen i grupper på 13. Modellen hævder, at de er konfigureret med ét centralt atom eller molekyle omgivet af de andre 12 - to ringe af fem omkring den centrale partikel, med en anden, der dækker toppen og en, der dækker bunden.

For at modellere, hvordan klumper af atomer eller molekyler kunne passe sammen i større skalaer, videnskabsmænd konceptualiserer denne gruppe på 13 som en 3D-form ved at behandle hver ydre partikel som et hjørne og forbinde prikkerne, resulterer i et fast stof med 20 trekantede flader, kaldet et icosahedron, en form, som enhver Dungeons &Dragons-spiller kender i form af en 20-sidet terning.

Miao og hans kolleger fandt noget andet, selvom.

Holdet analyserede tre amorfe metalliske objekter ved hjælp af atomelektrontomografi. Denne en kraftfuld billeddannelsesmetode sender elektroner mod en prøve og måler elektronerne, når de passerer igennem, indfangning af data flere gange, mens prøven roteres, så computeralgoritmer kan konstruere et 3D-billede.

Forskerne opdagede, at kun en meget lille del af atomerne dannede icosaedriske grupper på 13. Snarere, det mest almindelige arrangement var grupper på syv, med fem i ét centralt lag, en på toppen, en på bunden og intet centralt atom - en form forskerne beskriver som en femkantet bipyramid, med 10 trekantede flader. De observerede også, at disse femkantede bipyramider dannede sig til netværk, hvor kanter ofte blev delt.

"Siden Franks papir, det videnskabelige samfund har troet, at icosahedral orden er det vigtigste strukturelle motiv i væsker eller amorfe faste stoffer, " sagde Miao. "Men indtil videre, ingen andre har været i stand til at kortlægge alle atomernes position og kontrollere. Vi fandt ud af, at den femkantede bipyramide er det mest udbredte motiv. Naturen synes at foretrække at kombinere i syv. "

Overvægten af ​​denne kombination var konsistent på tværs af prøverne undersøgt af forskerne, WHO, for enkelhedens skyld, udvalgte materialer, der eksisterer som enkeltatomer i deres fundamentale skala. De undersøgte materialer var en tynd film lavet af tantal, som er et sjældent metal, der bruges til elektroniske komponenter, og to nanopartikler lavet af palladium, et metal vigtigt for de katalysatorer, der gør biludstødning mindre giftig.

Holdet brugte også deres eksperimentelle data som grundlag for en computersimulering af, hvad der sker, når tantal smeltes og derefter hurtigt afkøles, så der ikke dannes krystaller, resulterer i det, der kaldes et metallisk glas. I simuleringen, tantalatomerne er på lignende måde pakket ind i netværk af femkantede bipyramider oftere end nogen anden form, både som væske og glas.

Disse resultater kan foranledige en genovervejelse af visse aspekter af videnskabens fysiske model for verden omkring os. Og fordi amorfe materialer er integreret i visse halvledere og adskillige enheder, inklusive solpaneler, denne forskning kan være et tidligt skridt til at erstatte forsøg og fejl med målrettet design, hvor disse materialer er involveret.

"Dette arbejde, sammen med vores nylige Nature-papir om ikke-krystallinske materialer, kan være sammenlignelig i indflydelse med første gang, at videnskaben afslørede 3D-atomstrukturen af ​​saltkrystaller for over et århundrede siden, " sagde Miao.