מדענים קובעים מיקום מדויק של 3-D, זהות של כל 23,000 האטומים בננו-חלקיקלה

Anonim

מדענים השתמשו באחד המיקרוסקופים האלקטרוניים החזקים ביותר בעולם כדי למפות את המיקום המדויק ואת סוג כימי של 23, 000 אטומים בחלקיקים קטנים מאוד עשויים ברזל ופלטינה.

שחזור 3-D מגלה את הסדר של אטומים בפירוט חסר תקדים, המאפשר למדענים למדוד סדר כימי והפרעה בדגנים בודדים, אשר שופך אור על המאפיינים של החומר ברמת אטום יחיד. תובנות שנרכשו ממבנה החלקיקים עשויות להוביל לדרכים חדשות לשיפור הביצועים המגנטיים לשימוש בדחפים קשיחים מהדור הבא.

יתר על כן, הטכניקה המשמשת ליצירת שחזור, טומוגרפיה אטומית אטומית (שהיא כמו סריקה CT ברזולוציה גבוהה מאוד), מניח את הבסיס בדיוק מיפוי הרכב אטומי של חלקיקים שימושיים אחרים. זה יכול לחשוף כיצד לייעל את החלקיקים עבור זרזים יעיל יותר, חומרים חזקים יותר, וגילוי מחלות תגי פלורסנט.

נתונים מיקרוסקופיים התקבלו ונותחו על ידי מדענים מהמחלקה הלאומית לורנס ברקלי (Labry Berkeley Lab) במעבדה הלאומית לברקלי, בשיתוף עם משתמשי יציקה מ- UCLA, Oak Ridge National Laboratory, ואוניברסיטת ברמינגהם שבבריטניה. המחקר פורסם ב -2 בפברואר בכתב העת Nature.

האטומים הם אבני הבניין של החומר, והדפוסים שבהם הם מסודרים מכתיבים תכונות של חומר. דפוסים אלה יכולים גם להיות מנוצל כדי לשפר באופן משמעותי את הפונקציה של החומר, ולכן המדענים להוטים לקבוע את המבנה 3-D של חלקיקים בקנה מידה הקטן ביותר האפשרי.

"המחקר שלנו הוא צעד גדול בכיוון זה, אנחנו יכולים כעת לצלם תמונה המציגה את המיקום של כל האטומים בננו-חלקיק בנקודה מסוימת בצמיחתה, דבר שיעזור לנו ללמוד כיצד חלקיקים גדלים אטום על ידי האטום, וזה מגדירה את הבמה לגישה של עיצוב חומרים, שמתחילה מאבני הבניין הקטנות ביותר ", אומרת מרי סקוט, שערכה את המחקר בזמן שהיא משתמשת ב- Foundry, וכעת היא מדען צוות. סקוט, עמיתו מדענים יציקה פיטר ארציוס וקולין אופוס פיתחו את השיטה בשיתוף פעולה הדוק עם Jianwei Miao, פרופסור לפיסיקה ואסטרונומיה של UCLA.

השחזור הננו-חלקיקי שלהם מבוסס על הישג שדווחו בשנה שעברה, שבו הם מדדו את הקואורדינטות של יותר מ -3, 000 אטומים במחט טונגסטן לדיוק של 19 טריליון של מטר (19 פיקומטרים), שהוא הרבה יותר קטן מאטום מימן. עכשיו, הם עשו את אותו דיוק, הוסיף את היכולת להבחין בין אלמנטים שונים, ו scaled up השחזור לכלול עשרות אלפי אטומים.

חשוב לציין, השיטה שלהם מפותחת המיקום של כל אטום בננו-חלקיק יחיד, ייחודי. לעומת זאת, קריסטלוגרפיה רנטגן ו cryo אלקטרונים מיקרוסקופ העלילה המיקום הממוצע של אטומים מדגמים זהים רבים. שיטות אלה לבצע הנחות על הסדר של אטומים, אשר אינו מתאים טוב עבור חלקיקים כי אין שני דומים.

"אנחנו צריכים לקבוע את המיקום ואת סוג של כל אטום כדי להבין באמת איך פונקציות nanoparticle בקנה מידה אטומית, " אומר Ercius.

גישת צוות

ההישגים האחרונים של המדענים התבססו על שימוש באחד המיקרוסקופים הגבוהים ביותר בעולם של שידור אלקטרונים, הנקרא TEAM I. הוא ממוקם במרכז הלאומי למיקרוסקופ אלקטרוני, שהוא מתקן יציקה מולקולרי. מיקרוסקופ סורק מדגם עם קרן ממוקדת של אלקטרונים, ולאחר מכן מודד כיצד האלקטרונים אינטראקציה עם האטומים במדגם. כמו כן יש שלב מבוקרת piezo כי עמדות דגימות עם יציבות ללא תחרות ודיוק שליטה המיקום.

החוקרים החלו לצמוח חלקיקי ברזל פלטינה מהאלמנטים המרכיבים אותה, ולאחר מכן עצרו את צמיחת החלקיקים לפני שהיא נוצרה במלואה. הם הניחו את החלקיקים "אפויים חלקית" בשלב TEAM 1, השיגו הקרנה דו-ממדית של המבנה האטומי שלה, סובבו אותו במעלות אחדות, השיגו הקרנה נוספת וכן הלאה. כל 2-D היטל מספק קצת יותר מידע על מבנה מלא 3-D של ננו-חלקיקים.

הם שלחו את התחזיות ל- Miao ב- UCLA, שהשתמשו באלגוריתם מחשב מתוחכם כדי להמיר את תחזיות ה- D-D לשחזור תלת-ממדי של החלקיקים. הקואורדינטות האטומיות והטיפוסים הכימיים נבחרו לאחר מכן מצפיפות 3-D על סמך הידיעה כי אטומי ברזל קלים מאטומי פלטינה. המבנה האטומי שנוצר מכיל 6, 569 אטומי ברזל ו- 16, 627 אטומי פלטינה, כאשר כל קואורדינטות של אטום מתויגות בדיוק לרוחב של אטום מימן.

תרגום הנתונים לתובנות מדעיות

תכונות מעניינות הופיעו בקנה מידה קיצוני זה לאחר מדענים יציקה מולקולרית השתמשו בקוד הם פיתחו כדי לנתח את המבנה האטומי. לדוגמה, הניתוח חשף סדר כימי והפרעה בגרגרים משולבים, שבהם אטומי הברזל והפלטינה מסודרים בדפוסים שונים. זה יש השלכות גדולות על איך החלקיקים גדלו ואת העולם האמיתי שלה תכונות מגנטיות. הניתוח גילה גם פגמים של אטום יחיד ורוחב הגבולות המפרידים בין גרגרים, אשר לא היה אפשרי בעבר בגבולות תלת-ממדיים מורכבים.

"הבעיה החשובה במדעי החומרים שאנו עוסקים בה היא כיצד החומר הזה הופך ממבנה אקראי ביותר, מה שאנו מכנים מבנה עם הפרעה כימית, למבנה קבוע ומזומן עם התכונות המגנטיות הרצויות", אומר אופוס.

כדי לחקור כיצד הסדרים שונים של אטומים משפיעים על המאפיינים המגנטיים של ננו-חלקיקים, מדענים ממעבדת Oak Ridge National DOE ניהלו חישובי מחשב על מחשב-העל של טיטאן ב- ORNL - באמצעות הקואורדינטות והסוג הכימי של כל אטום - כדי לדמות את התנהגות הננו-חלקיקים בשדה מגנטי. זה איפשר למדענים לראות דפוסים של אטומים שהם מאוד מגנטיים, וזה אידיאלי עבור כוננים קשיחים. הם גם ראו דפוסים עם תכונות מגנטיות ירודות שעלולות לשוות ביצועים של הכונן הקשיח.

"זה יכול לעזור למדענים ללמוד כיצד לנווט את הצמיחה של חלקיקי פלטינה ברזל כך שהם מפתחים יותר מגנטי דפוסי האטומים, " אומר Ercius.

מוסיף סקוט, "באופן נרחב יותר, טכניקת ההדמיה תשפוך אור על נוקלאציה וצמיחה של שלבים מסודרים בתוך חלקיקים, אשר אינה מובנת תיאורטית באופן מלא, אך היא בעלת חשיבות מכרעת למספר דיסציפלינות מדעיות וטכנולוגיות".

menu
menu