Datavidenskabsteknik hjælper med at måle atompositioner mere præcist

Sommetider, et materiales ejendom, såsom magnetisme og katalyse, kan ændre sig drastisk på grund af intet mere end små ændringer i adskillelsen mellem dets atomer, almindeligvis omtalt som 'lokale stammer' i materialevidenskabens sprogbrug. En præcis måling af sådanne lokale stammer er, derfor, vigtigt for materialeforskere.

En kraftfuld teknik, der anvendes til dette formål, er 'højvinkel ringformet mørkfeltsbilleddannelse' (HAADF), en tilgang inden for scanningstransmissionselektronmikroskopi, der producerer billeder med lyse pletter, der teoretisk falder sammen med atomare positioner. Imidlertid, i praksis, HAADF-billeder er ofte forvrænget på grund af mekanisk og elektrisk støj i apparatet, begrænser de mindste målbare lokale stammer til lidt over 1 %.

Nu, et team af videnskabsmænd ledet af adjunkt Kohei Aso fra Japan Advanced Institute of Science and Technology (JAIST), Japan, har udnyttet en metode inden for datavidenskab til at måle belastningsfordelingen i materialer mere nøjagtigt, forbedring af præcisionen af ​​HAADF-billeddannelse. Dette studie, udgivet i ACS Nano , blev udført i samarbejde med JAIST professor Yoshifumi Oshima, daværende kandidatstuderende Jens Maebe, post-doc stipendiat Xuan Quy Tran, Adjunkt Tomokazu Yamamoto, og professor Syo Matsumura fra Kyushu University, Japan.

Holdet kombinerede HAADF-billeddannelse med Gaussisk procesregression (GPR), en databehandlingsteknik, der almindeligvis anvendes inden for maskinlæring og områder som økonomi og geologi. I en gaussisk proces, den sande tilstand af data (i dette tilfælde, atompositioner eller forskydning) antages at være repræsenteret af en glat funktion, og tilfældig støj tilføjes til denne "sande tilstand", når data observeres. Ved at vende denne proces gennem GPR, man kan mere præcist estimere atomernes sande positioner, og dermed beregne lokale tøjninger med højere præcision. Specifikt, den foreslåede metode gjorde det muligt for teamet at måle belastning med en præcision på 0,2 %.

Holdet demonstrerede potentialet i deres tilgang ved at måle lokale stammer i guld nanostrukturer og sammenligne trækspændinger i en guld nanosfære med dem i guld nanorods (i det væsentlige cylindre med halvkugleformede hætter) af forskellig længde. Disse sammenligninger afslørede, at belastningsfordelinger i guldnanopartikler varierede afhængigt af deres form, med nanorods, der udviser en trækspænding på omkring 0,5 % nær det område, hvor krumningen pludselig ændres. Dr. Aso forklarer, at "det er kendt, at sfæriske guldnanopartikler udsættes for ensartet stress over hele deres overflade, og denne spænding er proportional med overfladespændingen. Dermed, ensartet trykbelastning opstår i retningen vinkelret på overfladen. I modsætning, i guld nanorods, belastningen på overfladen bliver uensartet, og videnskabsmænd har teoretiseret, at trækspænding skulle forekomme visse steder. Imidlertid, dette var ikke blevet bevist eksperimentelt, indtil nu."

Med disse resultater, holdet er begejstret for fremtidsudsigterne for deres belastningsmålingsstrategi. "Vores teknik vil give detaljerede oplysninger om atomverdenen, hvilket er nødvendigt for udviklingen af ​​innovative materialer og enheder med både høj ydeevne og lille størrelse. Dette kan være nyttigt til udvikling af enheder og sensorer, der anvender materialer og strukturer i nanoskala. I øvrigt, metoden kræver ingen dyre modifikationer eller komplicerede procedurer og kan let anvendes, " siger Dr. Aso.