Их наблюдения впервые позволили сделать выводы о макроскопических свойствах материалов на основе их структурного расположения атомов, которые будут определять, как ученые и инженеры создают компоненты самолетов, например. Исследование, проведенное под руководством Цзяньвэя (Джона) Мяо, профессора физики и астрономии Калифорнийского университета в Лос-Анджелесе и члена Калифорнийского института наносистем, опубликовано в сентябре.
21 место в онлайн-издании журнала Nature Materials.
Более 100 лет исследователи изучали, как атомы расположены в трехмерном пространстве, используя метод, называемый рентгеновской кристаллографией, который включает в себя измерение того, как световые волны рассеиваются от кристалла. Однако рентгеновская кристаллография дает информацию только о средних положениях многих миллиардов атомов в кристалле, а не о точных координатах отдельных атомов.
«Это как собрать людей на Земле в среднем», — сказал Мяо. "У большинства людей есть голова, два глаза, нос и два уха. Но образ обычного человека все равно будет отличаться от нас с вами."
Поскольку рентгеновская кристаллография не раскрывает структуру материала на атомной основе, этот метод не может выявить крошечные недостатки материалов, такие как отсутствие единственного атома. Эти дефекты, известные как точечные дефекты, могут ослабить материалы, что может быть опасно, когда материалы являются компонентами машин, таких как реактивные двигатели.
«Точечные дефекты очень важны для современной науки и техники», — сказал Мяо.
Мяо и его команда использовали метод, известный как просвечивающая электронная микроскопия, в которой пучок электронов меньше размера атома водорода сканируется по образцу и измеряет, сколько электронов взаимодействует с атомами в каждой позиции сканирования. Метод раскрывает атомную структуру материалов, потому что разное расположение атомов заставляет электроны взаимодействовать по-разному.
Однако сканирующие просвечивающие электронные микроскопы позволяют получать только двумерные изображения.
Таким образом, создание трехмерного изображения требует, чтобы ученые отсканировали образец один раз, наклонили его на несколько градусов и повторно отсканировали — повторяя процесс до тех пор, пока не будет достигнуто желаемое пространственное разрешение — перед объединением данных каждого сканирования с помощью компьютера. алгоритм. Обратной стороной этого метода является то, что повторное излучение электронного пучка может постепенно повредить образец.
Используя сканирующий просвечивающий электронный микроскоп в Молекулярной литейной Национальной лаборатории Лоуренса Беркли, Мяо и его коллеги проанализировали небольшой кусок вольфрама, элемента, используемого в лампах накаливания. Поскольку образец был наклонен 62 раза, исследователи смогли медленно собрать 3-D модель из 3769 атомов на острие образца вольфрама.
Эксперимент отнимал много времени, потому что исследователям приходилось ждать несколько минут после каждого наклона, чтобы установка стабилизировалась.
«Наши измерения настолько точны, и любые вибрации — например, проходящего мимо человека — могут повлиять на то, что мы измеряем», — сказал Питер Эрсиус, научный сотрудник Национальной лаборатории Лоуренса Беркли и автор статьи.
Исследователи сравнили изображения с первого и последнего сканирования, чтобы убедиться, что вольфрам не был поврежден излучением благодаря тому, что энергия электронного пучка остается ниже порога радиационного повреждения вольфрама.
Мяо и его команда показали, что атомы на острие образца вольфрама расположены в девять слоев, шестой из которых содержит точечный дефект.
Исследователи полагают, что дефект был либо дырой в заполненном другим способом слое атомов, либо одним или несколькими пересекающимися атомами более легкого элемента, такого как углерод.
Независимо от природы точечного дефекта, способность исследователей обнаружить его присутствие значительна, впервые продемонстрировав, что координаты отдельных атомов и точечных дефектов могут быть записаны в трех измерениях.
"Мы сделали большой прорыв", — сказал Мяо.
Мяо и его команда планируют развивать свои результаты, изучая, как атомы расположены в материалах, обладающих магнетизмом или функциями накопления энергии, что поможет нам понять свойства этих важных материалов в самом фундаментальном масштабе.
«Я думаю, что эта работа изменит парадигму того, как материалы будут характеризоваться в 21 веке», — сказал он. "Точечные дефекты сильно влияют на свойства материала и обсуждаются во многих учебниках физики и материаловедения. Наши результаты — первое экспериментальное определение точечного дефекта внутри материала в трех измерениях."