23 000 atom egyszerre

Atom tomográfia megmutatja az egyes atomok első helyzetét nanorészecskében

Atom tomográfia mutatja a 6569 vas (piros) és 16 627 platina atomok helyzetét a nanorészecskékben © Colin Ophus / Florian Nickel
felolvasta

Szitált nanorészecskék: A kutatók először képesek voltak feltérképezni az egyes egyes atomok pontos helyét a nanorészecskékben. Atom tomográfia pontosan megmutatja, hol vannak a 23 000 atom és melyik elemhez tartoznak. Egy ilyen atomszintű szerkezeti elemzés fontos előrelépés, mivel lényeges információkat szolgáltat az anyag tulajdonságairól, ahogy a kutatók beszámolják a "Nature" folyóiratban.

Az anyag tulajdonságai nem csak a kémiai összetételétől függenek. Az egyes atomok elhelyezkedése és elrendezése az anyagban szintén meghatározó szerepet játszik. Így az atomrácsban lévő rések vagy egymással átitatott szennyeződések meghatározzák a kristályok elektromos és optikai tulajdonságait; az ötvözetekben az atomszerkezet és az interfészek befolyásolják a mágneses viselkedést.

A probléma az, hogy bár a röntgenkrisztallográfia és a krioelektron mikroszkópia megvilágítja az anyag általános atomszerkezetét. Ez a módszer azonban csak az atomok átlagos helyzetét tükrözi, mivel az eredményeket több képből összevonják.

Atomok tomográfia

2015-ben azonban történt egy első áttörés: az amerikai kutatók kifejlesztettek egyfajta "atomtomográfiát", amely először ábrázolta az atomok ezreinek pontos helyzetét egy volfrámcsúcsban. Abban az időben azonban még nem volt lehetséges megjeleníteni ezen atomok elemi fajait.

Ezt az áttörést a transzmissziós elektronmikroszkópia (TEM) módosítása tette lehetővé. Ahelyett, hogy egy ostya-vékonyra vágott mintát csak fókuszált elektronnyalábkal vizsgálnának, a kutatók többször megismételik az elemzést. Minden alkalommal kicsit megváltoztatják a minta dőlését és tájolását. Ezután egy speciális szoftver rekonstruálja a háromdimenziós atomszerkezetet ezekből a képekből. kijelző

23 000 atom helyzete

Most Jianwei Miao, a kaliforniai Los Angeles-i Egyetem és munkatársai javították az atom tomográfiát, hogy felhasználhassák azt a különféle elemek atomjai elrendezésének meghatározására. A kutatásukhoz a kutatók először körülbelül nyolc nanométer kis darabot készítettek egy vas-platina ötvözetből.

A nanorészecskék atomjai kilenc különálló régiót alkotnak, amelyek mindegyike kissé különbözik az elemi arányokat. Colin Ophus / Florian Niekiel

Ezután ennek a nanorészecskének a felhasználásával elvégezték atomtomográfiájukat, és a GENErated Fourier Iterative Reconstruction (GENFIRE) szoftver segítségével rekonstruálták az atomok elemi tagságát és az ötvözet részecske 3D felépítését. Az eredmény megmutatja a 6569 vas-atom és a 16 727 platina-atomok pontos helyzetét. A szerkezet atomrései is láthatóvá váltak.

"Első alkalommal láthatjuk az egyedi atomokat és a kémiai összetételt három dimenzióban" - mondja Miao. "Még soha nem volt ilyen pontos a háromdimenziós szerkezeti komplexitás."

Először nézd meg az atomokat az interfészeknél

Az atomi tomográfia azt mutatja, hogy a nanorészecskék atomjai kilenc különálló szemcsét képeznek. Mindegyikben a vas- és a platinaatomok kissé eltérő arányúak. Ezen atomok elrendezése mindkét esetben szabályosabb a szemek belseje felé, mint a felületükön. E területek közötti interfészek pontos helyét és jellegét szintén először tükrözték.

"Az ilyen szemcsék háromdimenziós struktúrájának megértése komoly kihívás az anyagkutatásban" - magyarázza Miao. Ezek az interfészek, amelyeket különösen rendezetlen atomi elrendezések jellemeznek, információt nyújtanak az ilyen nanorészecskék növekedéséről, valamint arról, hogy mik azok mágneses tulajdonságai.

Befolyásolás a mágneses viselkedésre

Annak kiderítése érdekében, hogy a vas-platina nanorészecske pontos atomi szerkezete hogyan befolyásolja annak mágneses tulajdonságait, a kutatók szuperszámítógépet használtak további elemzések elvégzésére. Az atomok elemi tagsága és elhelyezkedése alapján szimulálták a részecske és atomjai viselkedését mágneses mezőben.

Első alkalommal lehetett azonosítani a különösen erős mágneses reakciókkal rendelkező területeket és atomi mintákat. "Ez segítheti a jövő kutatóit az ilyen vas-platina részecskék növekedésének ellenőrzésében, hogy jobb mágneses tulajdonságokat kapjanak" - mondja Peter Ercius társszerző, a Lawrence Berkeley Nemzeti Laboratórium. Ez fontos például a merevlemezek előállításakor. (Naturte, 2017; doi: 10.1038 / nature21042)

(Kaliforniai Egyetem - Los Angeles / Lawrence Berkeley Nemzeti Laboratórium, 2017.02.02. - NPO)