science >> Wetenschap >  >> Chemie

3D-beeldvormingsonderzoek onthult hoe atomen zijn verpakt in amorfe materialen

Experimenteel 3D-atoombeeld van een kleine, niet-kristallijn palladiumdeeltje (links), waarin de 10-zijdige vijfhoekige bipyramide (rechts) het meest voorkomende motief is voor hoe atomen zich samenpakken; de oranje lijnen vertegenwoordigen de vijfhoekige tweepiramidevorm. Krediet:Yakun Yuan en John Miao/UCLA

Veel stoffen om ons heen, van keukenzout en suiker tot de meeste metalen, zijn gerangschikt in kristallen. Omdat hun moleculen in een geordende, herhalend patroon, er is veel bekend over hun structuur.

Echter, een veel groter aantal stoffen, waaronder rubber, glas en de meeste vloeistoffen - die fundamentele orde ontbreekt overal, waardoor het moeilijk is om hun moleculaire structuur te bepalen. Daten, begrip van deze amorfe stoffen is bijna volledig gebaseerd op theoretische modellen en indirecte experimenten.

Een door de UCLA geleid onderzoeksteam brengt daar verandering in. Met behulp van een methode die ze ontwikkelden om de atomaire structuur in drie dimensies in kaart te brengen, de wetenschappers hebben direct waargenomen hoe atomen zijn verpakt in monsters van amorfe materialen. De bevindingen, vandaag gepubliceerd in Natuurmaterialen , kan een herschrijving van het conventionele model afdwingen en het ontwerp van toekomstige materialen en apparaten die deze stoffen gebruiken informeren.

"We geloven dat deze studie een zeer belangrijke impact zal hebben op het toekomstige begrip van amorfe vaste stoffen en vloeistoffen - die tot de meest voorkomende stoffen op aarde behoren, " zei de senior auteur van de studie, Jianwei "John" Miao, een UCLA-hoogleraar natuurkunde en astronomie en lid van het California NanoSystems Institute aan de UCLA. "Het begrijpen van de fundamentele structuren kan leiden tot dramatische technologische vooruitgang."

Vanaf 1952 met werk van de Britse natuurkundige Frederick Charles Frank, het heersende wetenschappelijke inzicht is dat atomen en moleculen in een vloeibare of amorfe vaste stof over het algemeen in groepen van 13 passen. Het model stelt dat ze zijn geconfigureerd met één centraal atoom of molecuul omringd door de andere 12 - twee ringen van vijf rond de centrale deeltje, met een andere die de bovenkant bedekt en een die de onderkant bedekt.

Om te modelleren hoe klonten atomen of moleculen op grotere schaal in elkaar zouden passen, wetenschappers conceptualiseren deze groep van 13 als een 3D-vorm door elk buitenste deeltje als een hoek te behandelen en de punten te verbinden, resulterend in een solide met 20 driehoekige vlakken, een icosaëder genoemd, een vorm die bekend is bij elke Dungeons &Dragons-speler in de vorm van een 20-zijdige dobbelsteen.

Miao en zijn collega's vonden iets anders, Hoewel.

Het team analyseerde drie amorfe metalen objecten met behulp van atomaire elektronentomografie. Deze krachtige beeldvormingsmethode straalt elektronen naar een monster en meet de elektronen terwijl ze er doorheen gaan, meerdere keren gegevens vastleggen terwijl het monster wordt geroteerd, zodat computeralgoritmen een 3D-beeld kunnen construeren.

De onderzoekers ontdekten dat slechts een zeer kleine fractie van de atomen icosahedrale groepen van 13 vormde. de meest voorkomende opstelling was groepen van zeven, met vijf in één centrale laag, een bovenop, één aan de onderkant en geen centraal atoom - een vorm die de onderzoekers beschrijven als een vijfhoekige bipyramide, met 10 driehoekige vlakken. Ze merkten ook op dat deze vijfhoekige bipyramiden netwerken vormden waarin randen vaak werden gedeeld.

"Sinds de krant van Frank, de wetenschappelijke gemeenschap is van mening dat de icosaëdrische orde het belangrijkste structurele motief is in vloeistoffen of amorfe vaste stoffen, " zei Miao. "Maar tot nu toe, niemand anders heeft de positie van alle atomen in kaart kunnen brengen en controleren. We ontdekten dat de vijfhoekige bipyramide het meest voorkomende motief is. De natuur lijkt de voorkeur te geven aan zevens."

Het overwicht van die combinatie was consistent in de door de onderzoekers bestudeerde monsters, WHO, omwille van de eenvoud, geselecteerde materialen die bestaan ​​als enkele atomen op hun fundamentele schaal. De onderzochte materialen waren een dunne film gemaakt van tantaal, dat is een zeldzaam metaal dat wordt gebruikt voor elektronische componenten, en twee nanodeeltjes gemaakt van palladium, een metaal dat belangrijk is voor de katalysatoren die uitlaatgassen van auto's minder giftig maken.

Het team gebruikte hun experimentele gegevens ook als basis voor een computersimulatie van wat er gebeurt als tantaal wordt gesmolten en vervolgens snel wordt afgekoeld zodat zich geen kristallen vormen. resulterend in wat een metaalglas wordt genoemd. In de simulatie, de atomen van tantaal op dezelfde manier verpakt in netwerken van vijfhoekige bipyramiden vaker dan enige andere vorm, zowel als een vloeistof en een glas.

Deze bevindingen kunnen aanleiding geven tot een heroverweging van bepaalde aspecten van het fysieke model van de wetenschap voor de wereld om ons heen. En omdat amorfe materialen zijn geïntegreerd in bepaalde halfgeleiders en tal van apparaten, inclusief zonnepanelen, dit onderzoek zou een vroege stap kunnen zijn om vallen en opstaan ​​te vervangen door doelgericht ontwerp waar deze materialen bij betrokken zijn.

"Dit werk, samen met ons recente Nature-document over niet-kristallijne materialen, kan qua invloed vergelijkbaar zijn met de eerste keer dat de wetenschap de 3D-atomaire structuur van zoutkristallen meer dan een eeuw geleden onthulde, ' zei Miao.