Billedbehandlingsmetodologi afslører nanopartikler i atomskala i tre dimensioner (m/ video)

Et team af forskere fra University of California, Los Angeles (UCLA) og Northwestern University har produceret 3D-billeder og videoer af en lille platinnanopartikel i atomopløsning, der afslører nye detaljer om defekter i nanomaterialer, som ikke er set før.

Forud for dette arbejde, videnskabsmænd havde kun flade, todimensionelle billeder til at se arrangementet af atomer med. Den nye billeddannelsesmetodologi udviklet ved UCLA og Northwestern vil gøre det muligt for forskere at lære mere om et materiale og dets egenskaber ved at se atomer fra forskellige vinkler og se, hvordan de er arrangeret i tre dimensioner.

Undersøgelsen vil blive offentliggjort den 27. marts af tidsskriftet Natur .

Forfatterne beskriver at være i stand til at se, hvordan atomerne i en platinnanopartikel - kun 10 namometer i diameter - er arrangeret i tre dimensioner. De identificerer også, hvordan atomerne er arrangeret omkring defekter i platinnanopartiklerne.

Svarende til hvordan CT-scanninger af hjernen og kroppen udføres på et hospital, forskerne tog billeder af en platinnanopartikel fra mange forskellige retninger og satte derefter billederne sammen ved hjælp af en ny metode, der forbedrede kvaliteten af ​​billederne.

Denne nye metode er en kombination af tre teknikker:scanning transmission elektronmikroskopi, lige skrånende tomografi (EST) og tredimensionel Fourier-filtrering. Sammenlignet med konventionel CT, den kombinerede metode producerer meget højere kvalitet 3-D billeder og tillader direkte visualisering af atomer inde i platin nanopartikler i tre dimensioner.

"Visualisering af arrangementet af atomer i materialer har spillet en vigtig rolle i udviklingen af ​​moderne videnskab og teknologi, " sagde Jianwei (John) Miao, der ledede arbejdet. Han er professor i fysik og astronomi ved UCLA og forsker ved California NanoSystems Institute ved UCLA.

"Vores metode tillader 3D-billeddannelse af de lokale strukturer i materialer ved atomopløsning, og det forventes at finde anvendelse i materialevidenskab, nanovidenskab, faststoffysik og kemi, " han sagde.

"Det viser sig, at der er detaljer, vi kun kan se, når vi kan se på materialer i tre dimensioner, " sagde medforfatter Laurence D. Marks, en professor i materialevidenskab og teknik ved Northwesterns McCormick School of Engineering and Applied Science.

"Vi har længe haft mistanke om, at der foregik mere, end vi kunne se på de flade billeder, vi havde, " sagde Marks. "Dette arbejde er den første demonstration af, at dette er sandt på atomskalaen."

Nanoteknologiekspert Pulickel M. Ajayan, Benjamin M. og Mary Greenwood Anderson professor i ingeniørvidenskab ved Rice University komplimenterede forskningen.

"Dette er det første tilfælde, hvor den tredimensionelle struktur af dislokationer i nanopartikler er blevet direkte afsløret ved atomopløsning, "Ajayan sagde. "Det elegante arbejde demonstrerer styrken af ​​elektrontomografi og fører til muligheder for direkte at korrelere strukturen af ​​nanopartikler til egenskaber, alt i fuld 3D-visning."

Fejl kan påvirke mange egenskaber ved materialer, og en teknik til at visualisere disse strukturer ved atomopløsning kunne føre til ny indsigt til gavn for forskere inden for en lang række områder.

"Meget af det, vi ved om, hvordan materialer fungerer, om det er en katalysator i et biludstødningssystem eller displayet på en smartphone, er kommet fra elektronmikroskopbilleder af hvordan atomerne er arrangeret, " sagde Marks. "Denne nye billeddannelsesmetode vil åbne op for nanopartiklernes atomare verden."