物理学家在单个原子级别破译材料特性

时间：2021-07-11 17:52:15 来源：

鉴定铁的精确3-D坐标，在铁 - 铂纳米粒子中以红色和铂原子显示。

通过用先进的电子显微镜进行多个图像并使用强大的重建算法，研究人员在技术上重要的材料中测量了超过23,000个原子的坐标。

在世界上非常小的，完美是罕见的：几乎所有材料都对原子水平有缺陷。这些缺陷的原子，一种类型的原子，一种类型的原子和未对准的原子 - 可以唯一地确定材料的性质和功能。现在，UCLA物理学家和合作者在微小的铁铂纳米粒子中映射了超过23,000个辛酸的坐标，以揭示材料的缺陷。

结果表明，可以精确地识别成千上万个原子的位置，然后进入量子力学计算，以将缺陷和缺陷与单个原子水平相关联。这项研究发表在“自然”期刊上。

Jianwei“John”Miao，一名植物体和天文学教授和UCLA加州纳斯系统研究所的成员，领导了国际团队在绘制了双金属纳米粒子的原子级细节，超过了万亿，这可能适应一粒沙。

“之前，没有人在这种细节中看到这种三维结构复杂性，”苗族说，他也是实时功能成像的科技中心副主任。这种新的国家科学基金会资助的财团由加州大学生的科学家和其他五所学院和大学组成，这些大学都在使用高分辨率成像来解决物理科学，生命科学和工程中的问题。

苗族和他的团队专注于铁铂合金，这是一个非常有希望的内容，用于下一代磁储存介质和永磁应用。

通过在劳伦斯伯克利国家实验室用先进的电子显微镜采用多个铁铂纳米粒子，并在UCLA开发的强大的重建算法中，研究人员确定了纳米粒子中原子的精确三维排列。

“首次，我们可以在三维中看到疏远原子和化学成分。我们看的一切，这是新的，“苗说。

该团队鉴定并位于6,500多铁和16,600个铂原子，并显示了原子如何排列在九个颗粒中，每种颗粒含有不同的铁和铂原子比例。苗族及其同事们表明，谷粒内部的原子比表面靠近的原子更加定期排列。他们还观察到，谷物之间的界面，称为晶界，更混乱。

“了解谷物边界的三维结构是材料科学的主要挑战，因为它们强烈影响了材料的性质，”苗说。“现在我们能够首次在晶粒边界处精确绘制三维原子位置来解决这一挑战。”

然后研究人员用原子的三维坐标作为输入量子力学计算的输入，以确定铁铂纳米粒子的磁性。他们观察到晶界处的磁性变化的突然变化。

“这项工作在表征能力方面取得了重大进展，并扩大了对结构性质关系的基本理解，预计将在物理学，化学，材料科学，纳米科学和纳米技术中找到广泛的应用，”苗族说。

在未来，由于研究人员继续确定更多材料的三维原子坐标，他们计划建立物理科学的在线数据库，类似于用于生物和生命科学的蛋白质数据库。“研究人员可以使用此数据库来真正在单个原子水平上学习材料属性，”苗族说。

苗族和他的团队也期待将他们的方法称为Genfire（广义傅里叶迭代重建）到生物和医学应用。“我们的三维重建算法可能对CT扫描等成像非常有用，”苗说。与传统的重建方法相比，Genfire需要更少的图像来编制精确的三维结构。

这意味着可以用较低剂量的辐射成像辐射敏感物体。

该研究的共同作者包括Yongsoo Yang，Rui Xu，AJ Pryor，李文和吉汉周，都在UCLA; Mary Scott，Colin Ophel和劳伦斯伯克利国家实验室的彼得·埃尔科Chien-Chun国家孙中山大学;大学的范孙和郝曾在布法罗; Markus Eisenbach和橡树岭国家实验室的保罗肯特;伯明翰大学的沃尔夫冈·斯塔斯;奥布拉斯大学奥马哈的renat sabirianov。

这项工作得到了美国能源部基本能源科学办公室（GRANTS DE-SC0010378，DE-AC02-05CH11231和DE-AC05-00OR22725）以及美国国家科学基金会的材料研究司（GRANTS DMR-1548924）和DMR-1437263）。

出版物：Yongsoo Yang等，“在单个原子水平上解密化学订单/疾病和材料特性”，自然542,75-79（2017年2月02日）DOI：10.1038 / Nature21042

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