Glas, rubber en kunststoffen behoren allemaal tot een klasse van materie die amorfe vaste stoffen wordt genoemd. En ondanks hoe vaak ze in ons dagelijks leven voorkomen, amorfe vaste stoffen vormen al lang een uitdaging voor wetenschappers.

Sinds de jaren 1910, wetenschappers hebben de atomaire structuren van kristallen in 3D in kaart kunnen brengen, de andere grote klasse van vaste stoffen, die heeft geleid tot talloze vorderingen in de natuurkunde, scheikunde, biologie, materiaal kunde, geologie, nanowetenschap, ontdekking van medicijnen en meer. Maar omdat amorfe vaste stoffen niet stijf worden geassembleerd, repetitieve atomaire structuren zoals kristallen zijn, ze hebben het vermogen van onderzoekers om hun atomaire structuur met hetzelfde niveau van precisie te bepalen, getrotseerd.

Tot nu, dat is.

Een door de UCLA geleide studie in het tijdschrift Natuur rapporten over de allereerste bepaling van de 3D-atomaire structuur van een amorfe vaste stof - in dit geval een materiaal dat metaalglas wordt genoemd.

"We weten zoveel over kristallen, toch is de meeste materie op aarde niet-kristallijn en we weten zo weinig over hun atomaire structuur, " 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 observeren van de 3D-atomaire rangschikking van een amorfe vaste stof is Miao's droom sinds hij een afgestudeerde student was. Die droom is nu werkelijkheid geworden, na 22 jaar meedogenloze achtervolging.

"Deze studie heeft zojuist een nieuwe deur geopend, " hij zei.

Metaalglazen zijn meestal zowel sterker als meer vormbaar dan standaard kristallijne metalen, en ze worden tegenwoordig gebruikt in producten variërend van elektrische transformatoren tot hoogwaardige golfclubs en de behuizingen voor Apple-laptops en andere elektronische apparaten. Het begrijpen van de atomaire structuur van metalen glazen kan ingenieurs helpen om nog betere versies van deze materialen te ontwerpen. voor een nog breder scala aan toepassingen.

De onderzoekers gebruikten een techniek genaamd atomaire elektronentomografie, een type 3D-beeldvorming ontwikkeld door Miao en medewerkers. De aanpak omvat het stralen van elektronen door een monster en het verzamelen van een afbeelding aan de andere kant. Het monster wordt gedraaid zodat metingen vanuit meerdere hoeken kunnen worden uitgevoerd, gegevens opleveren die aan elkaar worden genaaid om een ​​3D-beeld te produceren.

"We combineerden state-of-the-art elektronenmicroscopie met krachtige algoritmen en analysetechnieken om structuren te bestuderen tot op het niveau van enkele atomen, " zei co-auteur Peter Ercius, een stafwetenschapper bij de Molecular Foundry van het Lawrence Berkeley National Laboratory, waar het experiment werd uitgevoerd. "Directe kennis van amorfe structuren op dit niveau is een game changer voor de natuurwetenschappen."

De onderzoekers onderzochten een monster van metallisch glas met een diameter van ongeveer 8 nanometer, gemaakt van acht verschillende metalen. (Een nanometer is een miljardste van een meter.) Met behulp van 55 atomaire elektronentomografiebeelden, Miao en collega's hebben een 3D-kaart gemaakt van de ongeveer 18, 000 atomen waaruit het nanodeeltje bestaat.

Omdat amorfe vaste stoffen zo moeilijk te karakteriseren zijn, de onderzoekers verwachtten dat de atomen chaotisch gerangschikt zouden zijn. En hoewel ongeveer 85% van de atomen in een ongeordende rangschikking waren, de onderzoekers waren in staat om zakken te identificeren waar een fractie van de atomen samensmolten tot geordende superclusters. De bevinding toonde aan dat zelfs binnen een amorfe vaste stof, de rangschikking van atomen is niet volledig willekeurig.

Miao erkende één beperking van het onderzoek, gedragen door de grenzen van de elektronenmicroscopie zelf. Sommige van de metaalatomen waren zo gelijk in grootte dat elektronenbeeldvorming ze niet kon onderscheiden. Voor de doeleinden van de studie, de onderzoekers groepeerden de metalen in drie categorieën, buren verenigen uit het periodiek systeem der elementen:kobalt en nikkel in de eerste categorie; ruthenium, rhodium, palladium en zilver in de tweede; en iridium en platina in de derde.

Het onderzoek werd voornamelijk ondersteund door het STROBE National Science Foundation Science and Technology Center, waarvan Miao adjunct-directeur is, en gedeeltelijk door het Amerikaanse ministerie van Energie.

"Dit baanbrekende resultaat illustreert de kracht van een transdisciplinair team, " zei Charles Ying, de programmafunctionaris van de National Science Foundation die toezicht houdt op de financiering van het STROBE-centrum. "Het toont de noodzaak aan van langdurige ondersteuning van een centrum om dit soort complexe onderzoeksprojecten aan te pakken."

De co-eerste auteurs van de studie zijn afgestudeerde student Yao Yang, voormalig assistent-projectwetenschapper Jihan Zhou, voormalig postdoctoraal onderzoeker Fan Zhu, en postdoctoraal onderzoeker Yakun Yuan, alle huidige of voormalige leden van Miao's onderzoeksgroep aan de UCLA. Andere co-auteurs van de UCLA zijn afgestudeerde studenten Dillan Chang en Arjun Rana; voormalige postdoctorale wetenschappers Dennis Kim en Xuezeng Tian; assistent-adjunct-hoogleraar wiskunde Minh Pham; en wiskundeprofessor Stanley Osher.

Andere co-auteurs zijn Yonggang Yao en Liangbing Hu van de Universiteit van Maryland, Collegepark; en Andreas Schmid en Peter Ercius van het Lawrence Berkeley National Laboratory.

"Dit werk is een geweldige illustratie van hoe langdurige grote uitdagingen kunnen worden aangepakt door wetenschappers met veel verschillende achtergronden in de natuurkunde samen te brengen, wiskunde, materiaal- en beeldwetenschap, met sterke partnerschappen tussen universiteiten en nationale laboratoria, " zei Margaret Murnane, directeur van het STROBE-centrum. "Dit is een spectaculaire ploeg."