Atomisk bevægelse fanget i 4-D for første gang

Hverdagens overgange fra en tilstand af stof til en anden - såsom frysning, smeltning eller fordampning - start med en proces kaldet "kernedannelse, " hvori bittesmå klynger af atomer eller molekyler (kaldet "kerner") begynder at smelte sammen. Nukleation spiller en afgørende rolle under omstændigheder så forskellige som dannelsen af ​​skyer og begyndelsen af ​​neurodegenerativ sygdom.

Et UCLA-ledet hold har fået et aldrig før set syn på kernedannelse - og fanger, hvordan atomerne omarrangeres ved 4-D atomopløsning (dvs. i tre dimensioner af rum og på tværs af tid). Fundene, offentliggjort i tidsskriftet Natur , adskiller sig fra forudsigelser baseret på den klassiske teori om kernedannelse, der længe har dukket op i lærebøger.

"Dette er virkelig et banebrydende eksperiment - vi lokaliserer og identificerer ikke kun individuelle atomer med høj præcision, men også overvåge deres bevægelse i 4-D for første gang, " sagde seniorforfatter Jianwei "John" Miao, en UCLA professor i fysik og astronomi, der er vicedirektør for STROBE National Science Foundation Science and Technology Center og medlem af California NanoSystems Institute ved UCLA.

Forskning udført af holdet, som omfatter samarbejdspartnere fra Lawrence Berkeley National Laboratory, University of Colorado i Boulder, University of Buffalo og University of Nevada, Reno, bygger på en kraftfuld billedbehandlingsteknik, der tidligere er udviklet af Miaos forskergruppe. Den metode, kaldet "atomisk elektrontomografi, "bruger et avanceret elektronmikroskop placeret på Berkeley Labs Molecular Foundry, som afbilder en prøve ved hjælp af elektroner. Prøven roteres, og på samme måde genererer en CAT-scanning et tredimensionelt røntgenbillede af den menneskelige krop, Atomelektrontomografi skaber fantastiske 3D-billeder af atomer i et materiale.

Miao og hans kolleger undersøgte en jern-platin-legering dannet til nanopartikler så små, at det tager mere end 10, 000 lagt side om side for at spænde over bredden af ​​et menneskehår. For at undersøge kernedannelse, forskerne opvarmede nanopartiklerne til 520 grader Celsius, eller 968 grader Fahrenheit, og tog billeder efter 9 minutter, 16 minutter og 26 minutter. Ved den temperatur, legeringen gennemgår en overgang mellem to forskellige faste faser.

Selvom legeringen ser ens ud med det blotte øje i begge faser, nærmere eftersyn viser, at 3-D atomarrangementerne er forskellige fra hinanden. Efter opvarmning, strukturen ændres fra en rodet kemisk tilstand til en mere ordnet, med skiftende lag af jern og platinatomer. Ændringen i legeringen kan sammenlignes med at løse en Rubik's Cube - den rodede fase har alle farverne blandet tilfældigt, mens den ordnede fase har alle farver justeret.

I en omhyggelig proces ledet af co-first forfattere og UCLA postdoc-forskere Jihan Zhou og Yongsoo Yang, holdet sporede de samme 33 kerner - nogle så små som 13 atomer - inden for en nanopartikel.

"Folk tror, ​​det er svært at finde en nål i en høstak, " sagde Miao. "Hvor svært ville det være at finde det samme atom i mere end en billion atomer på tre forskellige tidspunkter?"

Resultaterne var overraskende, da de modsiger den klassiske teori om kernedannelse. Den teori hævder, at kerner er perfekt runde. I undersøgelsen, derimod kerner dannede uregelmæssige former. Teorien antyder også, at kerner har en skarp grænse. I stedet, forskerne observerede, at hver kerne indeholdt en kerne af atomer, der var ændret til den nye, bestilt fase, men at arrangementet blev mere og mere rodet tættere på kernens overflade.

Klassisk nukleationsteori siger også, at når en kerne når en bestemt størrelse, den vokser sig kun større derfra. Men processen ser ud til at være langt mere kompliceret end som så:Ud over at vokse, kerner i undersøgelsen krympede, delt og sammenlagt; nogle helt opløst.

"Nukleering er dybest set et uløst problem på mange områder, " sagde medforfatter Peter Ercius, en stabsforsker ved Molecular Foundry, en nanovidenskabsfacilitet, der tilbyder brugere førende instrumentering og ekspertise til kollaborativ forskning. "Når du kan forestille dig noget, du kan begynde at tænke over, hvordan du kan kontrollere det."

Resultaterne giver direkte bevis for, at klassisk nukleationsteori ikke præcist beskriver fænomener på atomniveau. Opdagelserne om kernedannelse kan påvirke forskning på en lang række områder, herunder fysik, kemi, materialevidenskab, miljøvidenskab og neurovidenskab.

"Ved at fange atombevægelse over tid, denne undersøgelse åbner nye veje til at studere en bred vifte af materiale, kemiske og biologiske fænomener, " sagde National Science Foundation-programmedarbejder Charles Ying, der fører tilsyn med finansieringen af ​​STROBE-centret. "Dette transformative resultat krævede banebrydende fremskridt inden for eksperimentering, dataanalyse og modellering, et resultat, der krævede den brede ekspertise hos centrets forskere og deres samarbejdspartnere."