Fysikere bestemmer de tredimensionelle positioner af individuelle atomer for første gang

Atomer er byggestenene i alt stof på Jorden, og mønstrene, som de er arrangeret i, dikterer, hvor stærke, ledende eller fleksibelt et materiale vil være. Nu, forskere ved UCLA har brugt et kraftigt mikroskop til at afbilde de tredimensionelle positioner af individuelle atomer med en præcision på 19 billioner af en meter, som er flere gange mindre end et brintatom.

Deres observationer gør det muligt, for første gang, at udlede de makroskopiske egenskaber af materialer baseret på deres strukturelle arrangementer af atomer, som vil guide, hvordan forskere og ingeniører bygger flykomponenter, for eksempel. Forskningen, ledet af Jianwei (John) Miao, en UCLA -professor i fysik og astronomi og medlem af UCLA's California NanoSystems Institute, er udgivet 21. september i online-udgaven af ​​tidsskriftet Naturmaterialer .

I mere end 100 år, forskere har udledt, hvordan atomer er arrangeret i tredimensionelt rum ved hjælp af en teknik kaldet røntgenkrystallografi, som involverer måling af, hvordan lysbølger spredes fra en krystal. Imidlertid, Røntgenkrystallografi giver kun information om de gennemsnitlige positioner af mange milliarder atomer i krystallen, og ikke om individuelle atomers præcise koordinater.

"Det er som at tage et gennemsnit af mennesker på Jorden, " sagde Miao. "De fleste mennesker har et hoved, to øjne, en næse og to ører. Men et billede af den gennemsnitlige person vil stadig se anderledes ud end dig og mig."

Fordi røntgenkrystallografi ikke afslører et materiales struktur pr. Atom, Teknikken kan ikke identificere små ufuldkommenheder i materialer, såsom fraværet af et enkelt atom. Disse ufuldkommenheder, kendt som punktdefekter, kan svække materialer, hvilket kan være farligt, når materialerne er komponenter i maskiner som jetmotorer.

"Punktfejl er meget vigtige for moderne videnskab og teknologi, " sagde Miao.

Miao og hans team brugte en teknik kendt som scanning transmission elektronmikroskopi, hvor en stråle af elektroner, der er mindre end størrelsen af ​​et brintatom, scannes hen over en prøve og måler, hvor mange elektroner der interagerer med atomerne ved hver scanningsposition. Metoden afslører atomernes struktur af materialer, fordi forskellige arrangementer af atomer får elektroner til at interagere på forskellige måder.

Imidlertid, scanningstransmissionselektronmikroskoper producerer kun todimensionelle billeder. Så at skabe et 3-D-billede kræver, at videnskabsmænd scanner prøven én gang, vip det et par grader og genscan det - gentag processen, indtil den ønskede rumlige opløsning er opnået - før du kombinerer dataene fra hver scanning ved hjælp af en computeralgoritme. Ulempen ved denne teknik er, at den gentagne elektronstrålestråling gradvist kan beskadige prøven.

Ved hjælp af et scanningstransmissionselektronmikroskop på Lawrence Berkeley National Laboratory's Molecular Foundry, Miao og hans kolleger analyserede et lille stykke wolfram, et element, der bruges i glødepærer. Da prøven blev vippet 62 gange, forskerne var i stand til langsomt at samle en 3-D model af 3, 769 atomer i spidsen af ​​wolframprøven.

Eksperimentet var tidskrævende, fordi forskerne måtte vente flere minutter efter hver vip, før opsætningen stabiliserede sig.

"Vores mål er så præcise, og enhver vibration – som en person der går forbi – kan påvirke det, vi måler, sagde Peter Ercius, en stabsforsker ved Lawrence Berkeley National Laboratory og forfatter til papiret.

Forskerne sammenlignede billederne fra den første og sidste scanning for at bekræfte, at wolfram ikke var blevet beskadiget af strålingen, takket være, at elektronstråleenergien holdes under strålingsskadetærsklen for wolfram.

Miao og hans team viste, at atomerne i spidsen af ​​wolframprøven var arrangeret i ni lag, den sjette indeholdt en punktdefekt. Forskerne mener, at defekten enten var et hul i et ellers fyldt lag af atomer eller et eller flere sammenfaldende atomer af et lettere grundstof, såsom kulstof.

Uanset arten af ​​punktdefekten, forskernes evne til at opdage dets tilstedeværelse er betydelig, demonstrerer for første gang, at koordinaterne for individuelle atomer og punktdefekter kan registreres i tre dimensioner.

"Vi fik et stort gennembrud, " sagde Miao.

Miao og hans team planlægger at bygge videre på deres resultater ved at studere, hvordan atomer er arrangeret i materialer, der har magnetisme eller energilagringsfunktioner, som vil hjælpe med at informere vores forståelse af egenskaberne af disse vigtige materialer i den mest fundamentale skala.

"I think this work will create a paradigm shift in how materials are characterized in the 21st century, " he said. "Point defects strongly influence a material's properties and are discussed in many physics and materials science textbooks. Our results are the first experimental determination of a point defect inside a material in three dimensions."