Автор AZoNano 1 апреля 2021 г.

Аморфные твердые вещества, к которым также относятся резина, стекло и пластмассы, относятся к классу веществ. Но, несмотря на их рутинное применение в повседневной жизни людей аморфные твердые тела традиционно представляли проблему для исследователей.

С 1910-х годов исследователи успешно картировали атомные структуры кристаллов – другой ведущей группы твердых тел – в 3D. Это привело к широкому спектру достижений в нанонауке, геологии, материаловедении, биологии, химии, физике, открытии лекарств и т. Д.

Однако, поскольку аморфные твердые тела не организованы в повторяющиеся и жесткие атомные структуры, подобные тем, как собираются кристаллы, они до сих пор бросали вызов потенциалу исследователей в установлении их атомной структуры с таким же уровнем точности.

Впервые исследование, проведенное Калифорнийским университетом в Лос-Анджелесе (UCLA), определило трехмерную атомную структуру аморфного твердого тела – в этом примере материала, известного как металлическое стекло. Исследование было опубликовано в журнале Nature .

« Мы так много знаем о кристаллах, но большая часть вещества на Земле некристаллическая, и мы так мало знаем об их атомной структуре », – заявил Цзяньвэй «Джон» Мяо, старший автор книги исследования и профессор физики и астрономии Калифорнийского университета в Лос-Анджелесе. Мяо также является членом Калифорнийского института наносистем при Калифорнийском университете в Лос-Анджелесе.

Еще с тех пор, как Мяо был аспирантом, он всегда хотел наблюдать трехмерное атомное устройство аморфного твердого тела. И теперь эта мечта была реализована следующая 22 лет упорной исследовательской работы.

« Это исследование только что открыло новую дверь », – добавил Мяо.

По сравнению со стандартными кристаллическими металлами, металлические стекла относительно прочнее и удобнее. Даже сегодня эти металлические очки используются во многих продуктах, таких как элитные клюшки для гольфа, электрические трансформаторы, корпуса для ноутбуков Apple и другие подобные электронные устройства.

Выяснение атомной структуры металлических стекол может помочь ученым разработать более совершенные модели этих материалов для еще более широкого круга применений.

Команда использовала метод, называемый атомной электронной томографией, – разновидность трехмерного изображения, изобретенного Мяо и его коллегами. В этом методе электроны пропускаются через образец, а изображение получается на другой стороне.

Затем образец поворачивают так, чтобы измерения можно было проводить под разными углами, и это генерирует данные, которые впоследствии сшиваются вместе для создания трехмерного изображения.

Мы объединили современную электронную микроскопию с мощными алгоритмами и методами анализа для изучения структур вплоть до уровня отдельных атомов. Прямое знание аморфных структур на этом уровне меняет правила игры для физических наук .

Питер Эрсиус, соавтор исследования и научный сотрудник, Молекулярное литейное производство, Национальная лаборатория Лоуренса Беркли

Эксперимент проводился в Molecular Foundry.

Команда исследовала образец металлического стекла диаметром около 8 нм (нанометр составляет одну миллиардную метра), состоящий из восьми различных металлов.

Мяо и его исследовательская группа затем использовали 55 изображений, полученных с помощью атомной электронной томографии, и в конечном итоге создали трехмерную карту примерно 18 000 атомов, составляющих наночастицу.

Поскольку аморфные твердые тела очень трудно определить, команда ожидала, что атомы будут организованы случайным образом. И хотя около 85% атомов были собраны хаотично, исследователи эффективно идентифицировали карманы, в которых часть атомов сливалась в организованные сверхскопления.

Эти результаты доказывают, что расположение атомов не является полностью случайным даже внутри аморфного твердого тела.

Однако Мяо выявил один недостаток в исследовании, который возник из-за ограничений самой электронной микроскопии. Некоторые из атомов металлов были настолько похожи по размеру, что с помощью электронного изображения было довольно трудно различить их.

В целях этого анализа группа классифицировала металлы на три категории, объединив соседние металлы из периодической таблицы элементов, такие как никель и кобальт, в первую категорию; серебро, палладий, родий и рутений второй категории; и платина и иридий в третьей категории.

Исследование в основном поддерживалось научно-техническим центром Национального научного фонда STROBE, в котором Мяо является заместителем директора. Кроме того, исследование частично финансировалось Министерством энергетики США.

Этот революционный результат демонстрирует мощь трансдисциплинарной команды. Это демонстрирует необходимость долгосрочной поддержки центра для решения этого типа комплексного исследовательского проекта .

Чарльз Ин, руководитель программы, Национальный научный фонд

Ин курирует финансирование центра STROBE.

Соавторами исследования являются аспирант Яо Ян, бывший научный сотрудник проекта Джихан Чжоу, бывший научный сотрудник постдокторантуры Фань Чжу и постдокторант Якун Юань, все нынешние или бывшие члены исследовательской группы Мяо из Калифорнийского университета в Лос-Анджелесе.

Среди других соавторов из Калифорнийского университета в Лос-Анджелесе аспиранты Диллан Чанг и Арджун Рана, бывшие постдокторанты Деннис Ким и Сюэзэн Тиан, доцент кафедры математики Минь Фам и профессор математики Стэнли Ошер.

Юнган Яо и Лянбин Ху из Университета Мэриленда, Колледж-Парк, а также Андреас Шмид и Питер Эрсиус из Национальной лаборатории Лоуренса в Беркли – другие соавторы исследования.

Эта работа является прекрасной иллюстрацией того, как решать давние грандиозные проблемы, объединив ученых с разным опытом в области физики, математики, материаловедения и визуализации в тесном сотрудничестве между университетами и национальными лабораториями. Это великолепная команда .

Маргарет Мурнэйн, директор STROBE Center

Ссылка на журнал:

Yang, Y., и др. . (2021) Определение трехмерной атомной структуры аморфного твердого тела. Природа . doi.org/10.1038/s41586-021-03354-0.

Источник: https://www.ucla.edu/[19459008visible