Ny teknik gør det muligt for forskere at kigge inden for nanopartikler, se atomstruktur i 3D

(PhysOrg.com) -- UCLA-forskere er nu i stand til at kigge dybt ind i verdens mindste strukturer for at skabe tredimensionelle billeder af individuelle atomer og deres positioner. Deres forskning, offentliggjort 22. marts i tidsskriftet Natur , præsenterer en ny metode til direkte måling af nanomaterialers atomare struktur.

"Dette er det første eksperiment, hvor vi direkte kan se lokale strukturer i tre dimensioner i atomskalaopløsning-det er aldrig blevet gjort før, " sagde Jianwei (John) Miao, professor i fysik og astronomi og forsker ved California NanoSystems Institute (CNSI) ved UCLA.

Miao og hans kolleger brugte et scanningstransmissionselektronmikroskop til at feje en smal stråle af højenergielektroner hen over en lille guldpartikel kun 10 nanometer i diameter (næsten 1, 000 gange mindre end et rødt blodlegeme). Nanopartiklerne indeholdt titusindvis af individuelle guldatomer, hver omkring en million gange mindre end bredden af ​​et menneskehår. Disse atomer interagerer med elektronerne, der passerer gennem prøven, at kaste skygger, der holder information om nanopartiklernes indre struktur på en detektor under mikroskopet.

Miaos team opdagede, at ved at tage målinger i 69 forskellige vinkler, de kunne kombinere data hentet fra hver enkelt skygge til en 3-D rekonstruktion af det indre af nanopartiklen. Ved at bruge denne metode, som er kendt som elektrontomografi, Miaos team kunne direkte se individuelle atomer, og hvordan de var placeret inde i den specifikke guld -nanopartikel.

I øjeblikket, Røntgenkrystallografi er den primære metode til visualisering af 3-D molekylære strukturer ved atomare opløsninger. Imidlertid, denne metode involverer måling af mange næsten identiske prøver og gennemsnit af resultaterne. Røntgenkrystallografi tager typisk et gennemsnit på tværs af billioner af molekyler, hvilket får nogle oplysninger til at gå tabt i processen, sagde Miao.

"Det er som at sammensætte et gennemsnit af alle på Jorden for at få en idé om, hvordan et menneske ser ud - man går fuldstændig glip af de unikke egenskaber ved hvert individ, " han sagde.

Røntgenkrystallografi er en kraftfuld teknik til at afsløre strukturen af ​​perfekte krystaller, som er materialer med en ubrudt bikage af perfekt adskilte atomer stillet op lige så pænt som bøger på en hylde. Alligevel er de fleste strukturer, der findes i naturen, ikke-krystallinske, med strukturer langt mindre ordnet end deres krystallinske modstykker - billede en rockkoncert mosh pit frem for soldater på parade.

"Vores nuværende teknologi er hovedsageligt baseret på krystalstrukturer, fordi vi har måder at analysere dem på, " sagde Miao. "Men for ikke-krystallinske strukturer, ingen direkte eksperimenter har set atomstrukturer i tre dimensioner før."

Det er vigtigt at sondere ikke-krystallinske materialer, fordi selv små variationer i strukturen i høj grad kan ændre et materiales elektroniske egenskaber, Miao bemærkede. Evnen til at nøje undersøge indersiden af ​​en halvleder, for eksempel, kan afsløre skjulte interne fejl, der kan påvirke dens ydeevne.

"Den tredimensionelle atomopløsning af ikke-krystallinske strukturer er fortsat et stort uløst problem inden for de fysiske videnskaber, " han sagde.

Miao og hans kolleger har ikke helt knækket den ikke-krystallinske gåde, men de har vist, at de kan forestille sig en struktur, der ikke er perfekt krystallinsk ved en opløsning på 2,4 Ångstrøm (den gennemsnitlige størrelse af et guldatom er 2,8 Ångstrøm). Den guldnanopartikel de målte til deres papir viste sig at være sammensat af flere forskellige krystalkorn, hver danner en puslespilsbrik med atomer justeret i subtilt forskellige mønstre. En nanostruktur med skjulte krystallinske segmenter og grænser indeni vil opføre sig anderledes end en lavet af en enkelt kontinuerlig krystal - men andre teknikker ville ikke have været i stand til at visualisere dem i tre dimensioner, sagde Miao.

Miaos team fandt også ud af, at den lille gyldne klat, de studerede, faktisk var formet som en perle med mange facetter, selvom den er lidt klemt på den ene side fra at hvile på en flad scene inde i det gigantiske mikroskop - en anden lille detalje, der måske er blevet taget i gennemsnit, når man brugte mere traditionelle metoder.

Dette projekt er inspireret af Miaos tidligere forskning, hvilket indebar at finde måder at minimere strålingsdosis givet til patienter under CT -scanninger. Under en scanning, patienter skal røntgenstråles i forskellige vinkler, og disse målinger er kombineret for at give lægerne et billede af, hvad der er inde i kroppen. Miao fandt en matematisk mere effektiv måde at opnå lignende billeder i høj opløsning, mens han tog scanninger i færre vinkler. Han indså senere, at denne opdagelse kunne gavne videnskabsmænd, der undersøger indersiden af ​​nanostrukturer, ikke kun læger på udkig efter tumorer eller brud.

Nanostrukturer, som patienter, kan blive beskadiget, hvis der udføres for mange scanninger. Et konstant bombardement af elektroner med høj energi kan få atomerne i nanopartikler til at omarrangere og selve partiklen ændre form. Ved at bringe sin medicinske opdagelse til sit arbejde inden for materialevidenskab og nanovidenskab, Miao var i stand til at opfinde en ny måde at kigge inde i feltets mindste strukturer.

Miaos teams opdagelse kan føre til forbedringer i opløsning og billedkvalitet til tomografiforskning på tværs af mange felter, herunder undersøgelse af biologiske prøver.