Forskere bestemmer præcis 3D-placering, identitet på alle 23, 000 atomer i en nanopartikel

Forskere brugte et af verdens mest kraftfulde elektronmikroskoper til at kortlægge den præcise placering og kemiske type 23, 000 atomer i en ekstremt lille partikel lavet af jern og platin.

3D-rekonstruktionen afslører arrangementet af atomer i enestående detaljer, gør det muligt for forskerne at måle kemisk orden og uorden i individuelle korn, som kaster lys over materialets egenskaber på enkeltatom-niveau. Indsigt fra partikelens struktur kan føre til nye måder at forbedre dens magnetiske ydeevne til brug i høj densitet, næste generations harddiske.

Hvad mere er, teknikken, der blev brugt til at skabe rekonstruktionen, atomatomontomografi (hvilket er som en utrolig højopløselig CT-scanning), lægger grundlaget for præcis kortlægning af atomarsammensætningen af ​​andre nyttige nanopartikler. Dette kunne afsløre, hvordan man optimerer partiklerne til mere effektive katalysatorer, stærkere materialer, og sygdomsdetekterende fluorescerende mærker.

Mikroskopidata blev indhentet og analyseret af forskere fra Department of Energy's Lawrence Berkeley National Laboratory (Berkeley Lab) ved Molecular Foundry, i samarbejde med Foundry -brugere fra UCLA, Oak Ridge National Laboratory, og Det Forenede Kongeriges University of Birmingham. Forskningen er rapporteret 2. februar i tidsskriftet Natur .

Atomer er byggestenene i stof, og de mønstre, de er arrangeret i, dikterer et materiales egenskaber. Disse mønstre kan også udnyttes til i høj grad at forbedre et materiales funktion, derfor er forskere ivrige efter at bestemme 3-D-strukturen af ​​nanopartikler i mindst mulig skala.

"Vores forskning er et stort skridt i denne retning. Vi kan nu tage et øjebliksbillede, der viser positionerne for alle atomerne i en nanopartikel på et bestemt tidspunkt i dens vækst. Dette vil hjælpe os med at lære, hvordan nanopartikler vokser atom for atom, og det sætter scenen for en materialedesign tilgang, der tager udgangspunkt i de mindste byggesten, "siger Mary Scott, der foretog undersøgelsen, mens hun var støberi -bruger, og som nu er personaleforsker. Scott og andre støberiforskere Peter Ercius og Colin Ophus udviklede metoden i tæt samarbejde med Jianwei Miao, en UCLA professor i fysik og astronomi.

Deres nanopartikelrekonstruktion bygger på en præstation, de rapporterede sidste år, hvor de målte koordinaterne for mere end 3, 000 atomer i en wolframnål til en præcision på 19 billioner af en meter (19 picometers), som er mange gange mindre end et hydrogenatom. Nu, de har taget samme præcision, tilføjede evnen til at skelne forskellige elementer, og opskalerede genopbygningen til at omfatte titusinder af atomer.

Vigtigere, deres metode kortlægger hvert atoms position i et enkelt, unik nanopartikel. I modsætning, Røntgenkrystallografi og kryo-elektronmikroskopi tegner atomernes gennemsnitlige position fra mange identiske prøver. Disse metoder gør antagelser om atoms arrangement, hvilket ikke passer godt til nanopartikler, fordi ingen er ens.

"Vi er nødt til at bestemme placeringen og typen af ​​hvert atom for virkelig at forstå, hvordan en nanopartikel fungerer i atomskala, "siger Ercius.

En TEAM tilgang

Forskernes seneste præstation var afhængig af brugen af ​​et af de højeste opløsningstransmissionselektronmikroskoper i verden, kaldet TEAM I. Det er placeret på National Center for Electron Microscopy, som er en Molecular Foundry facilitet. Mikroskopet scanner en prøve med en fokuseret stråle af elektroner, og måler derefter, hvordan elektronerne interagerer med atomerne i prøven. Det har også et piezo-kontrolleret trin, der placerer prøver med uovertruffen stabilitet og positionskontrolnøjagtighed.

Forskerne begyndte at dyrke en jern-platin-nanopartikel fra dens bestanddele, og stoppede derefter partikelens vækst, før den var fuldt dannet. De placerede den "delvist bagte" partikel i TEAM I -stadiet, opnået en 2-D projektion af dens atomstruktur, drejede det et par grader, opnået en anden fremskrivning, og så videre. Hver 2-D-projektion giver lidt mere information om nanopartiklens fulde 3D-struktur.

De sendte fremskrivningerne til Miao på UCLA, der brugte en sofistikeret computeralgoritme til at konvertere 2-D-fremskrivningerne til en 3D-rekonstruktion af partiklen. De enkelte atomkoordinater og kemiske typer blev derefter sporet fra 3D-densiteten baseret på viden om, at jernatomer er lettere end platinatomer. Den resulterende atomstruktur indeholder 6, 569 jernatomer og 16, 627 platinatomer, med hvert atoms koordinater præcist afbildet til mindre end bredden af ​​et hydrogenatom.

Oversættelse af data til videnskabelig indsigt

Interessante træk dukkede op i denne ekstreme skala, efter at forskere fra Molecular Foundry brugte kode, de udviklede til at analysere atomstrukturen. For eksempel, analysen afslørede kemisk orden og uorden i sammenlåsende korn, hvor jern- og platinatomerne er arrangeret i forskellige mønstre. Dette har store konsekvenser for, hvordan partiklen voksede og dens virkelige magnetiske egenskaber. Analysen afslørede også defekter i enkeltatomer og bredden af ​​uordnede grænser mellem korn, hvilket ikke tidligere var muligt i komplekse 3D-grænser.

"Det vigtige materialevidenskabelige problem, vi tackler, er, hvordan dette materiale transformeres fra en meget randomiseret struktur, hvad vi kalder en kemisk forstyrret struktur, i en almindelig stærkt ordnet struktur med de ønskede magnetiske egenskaber, «siger Ophus.

For at undersøge, hvordan de forskellige arrangementer af atomer påvirker nanopartiklens magnetiske egenskaber, forskere fra DOE's Oak Ridge National Laboratory kørte computerberegninger på Titan -supercomputeren på ORNL - ved hjælp af koordinaterne og den kemiske type for hvert atom - for at simulere nanopartikelens adfærd i et magnetisk felt. Dette tillod forskerne at se mønstre af atomer, der er meget magnetiske, som er ideel til harddiske. De så også mønstre med dårlige magnetiske egenskaber, der kunne ødelægge harddiskens ydeevne.

"Dette kunne hjælpe forskere med at lære at styre væksten af ​​jern-platin-nanopartikler, så de udvikler mere stærkt magnetiske mønstre af atomer, "siger Ercius.

Tilføjer Scott, "Mere generelt, billedbehandlingsteknikken vil kaste lys over nukleationen og væksten af ​​ordnede faser inden for nanopartikler, som ikke er helt teoretisk forstået, men er kritisk vigtig for flere videnskabelige discipliner og teknologier. "