物理学家确定个体原子的三维坐标 2017-05-13 03:22:11

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数千个单个原子的3-D坐标和材料中的点缺陷以19万亿分之一米的精度确定,其中未假设材料的结晶度

该图显示了测量的3-D原子位置

钨尖,由九个原子层组成,分别用深红色(深红色),红色,橙色,黄色,绿色,青色,蓝色,洋红色和紫色从第一层(顶部)到第九层(底部)标记,分别来自物理学家团队加州大学洛杉矶分校首次确定了单个原子的三维位置,帮助科学家更好地理解材料的结构特性原子是地球上所有物质的基石,它们排列的模式决定了它们的强度,导电性或强度灵活的材料将是现在,加州大学洛杉矶分校的科学家们使用强大的显微镜对单个原子的三维位置进行成像,精度为19万亿分之一米,这几倍于r氢原子他们的观察结果首次可以根据原子的结构排列来推断材料的宏观性质,这将指导科学家和工程师如何建造飞机部件,例如,由建伟领导的研究(约翰)苗,加州大学洛杉矶分校物理与天文学教授,加州大学洛杉矶分校加州纳米系统研究所成员,于9月21日出版在“自然材料”杂志网络版上100多年来,研究人员推断原子如何排列成三个 - 尺寸空间使用一种叫做X射线晶体学的技术,它涉及测量光波如何从晶体中散射出去

然而,X射线晶体学只能得到关于晶体中数十亿原子的平均位置的信息,而不是关于单个原子的信息

精确的坐标“这就像在地球上取平均人数一样,”苗说:“大多数人都有头,两只眼,鼻子和两个e ars但普通人的图像仍然会与你和我不同“因为X射线晶体学不会在每个原子的基础上揭示材料的结构,所以该技术无法识别材料中的微小缺陷,例如没有单个原子这些被称为点缺陷的缺陷会削弱材料,当材料是喷气发动机等机器的组件时,这可能是危险的“点缺陷对现代科学技术非常重要,”苗说,苗和他的团队使用了一种称为扫描透射电子显微镜的技术,其中在样品上扫描小于氢原子大小的电子束,并测量每个扫描位置处有多少电子与原子相互作用

该方法揭示了原子结构

材料因为不同的原子排列导致电子以不同的方式相互作用但是,扫描透射电子显微镜只产生二维图像因此,创建三维图像需要科学家扫描样本一次,将其倾斜几度并重新扫描 - 重复该过程直到达到所需的空间分辨率 - 然后使用计算机算法组合每次扫描的数据这项技术的缺点是重复的电子束辐射会逐渐损坏样品使用劳伦斯伯克利国家实验室分子铸造厂的扫描透射电子显微镜,苗和他的同事分析了一小块钨,一种用于白炽灯泡的元件当样品倾斜62次时,研究人员能够在钨样品的尖端慢慢组装3,769个原子的3-D模型

实验非常耗时,因为研究人员必须在每次倾斜后等待几分钟才能进行设置

稳定“我们的测量非常精确,任何振动 - 就像走路的人一样 - 会影响我们的测量结果,”Peter Erciu说道

s,劳伦斯伯克利国家实验室的一名科学家和该论文的作者研究人员比较了第一次和最后一次扫描的图像,以验证钨没有被辐射损坏,这要归功于电子束能量保持在钨的辐射损伤阈值和他的团队表明,钨样品尖端的原子排列成9层,其中第6层含有点缺陷 研究人员认为,这个缺陷要么是原本填充的原子层中的一个孔,要么是碳等较轻元素的一个或多个交叉原子

无论点缺陷的性质如何,研究人员检测其存在的能力都很重要,证明了这一点

Miao和他的团队计划通过研究原子在具有磁性的材料中的排列方式来建立他们的结果,这是第一次可以在三个方面记录单个原子和点缺陷的坐标“我们取得了重大突破”

或者能量存储功能,这将有助于我们以最基本的尺度了解这些重要材料的特性“我认为这项工作将创造材料在21世纪的特征的范式转变,”他说,“点缺陷强烈影响材料的性质,并在许多物理和材料科学教科书中讨论我们的结果是第一个实验阻止三维材料中的点缺陷的缩写“该研究的共同作者包括Rui Xu,Chien-Chun Chen,Li Wu,Mary Scott,Matthias Bartels,Yongsoo Yang和Michael Sawaya,所有加州大学洛杉矶分校;以及劳伦斯伯克利国家实验室的Colin Ophus;伯明翰大学的Wolfgang Theis;阿克伦大学的Hadi Ramezani-Dakhel和Hendrik Heinz;和西北大学的劳伦斯马克斯这项工作主要得到了美国能源部基础能源科学办公室的支持(授权DE-FG02-13ER46943和合同DE-AC02-05CH11231)出版物:Rui Xu,等,“三维坐标”通过电子断层扫描显示材料中的单个原子,“自然材料(2015); doi:101038 / nmat4426来源:Katherine Kornei,加州大学洛杉矶分校新闻