(PhysOrg.com) -- UCLA-onderzoekers kunnen nu diep in 's werelds kleinste structuren kijken om driedimensionale afbeeldingen te maken van individuele atomen en hun posities. Hun onderzoek, gepubliceerd op 22 maart in het tijdschrift Natuur , presenteert een nieuwe methode voor het direct meten van de atomaire structuur van nanomaterialen.

"Dit is het eerste experiment waarbij we lokale structuren direct in drie dimensies kunnen zien met een resolutie op atomaire schaal - dat is nog nooit eerder gedaan, " zei Jianwei (John) Miao, een professor in de natuurkunde en astronomie en een onderzoeker bij het California NanoSystems Institute (CNSI) aan de UCLA.

Miao en zijn collega's gebruikten een scanning-transmissie-elektronenmicroscoop om een ​​smalle bundel hoogenergetische elektronen over een klein gouddeeltje met een diameter van slechts 10 nanometer (bijna 1, 000 keer kleiner dan een rode bloedcel). Het nanodeeltje bevatte tienduizenden individuele goudatomen, elk ongeveer een miljoen keer kleiner dan de breedte van een mensenhaar. Deze atomen interageren met de elektronen die door het monster gaan, schaduwen werpen die informatie bevatten over de interne structuur van het nanodeeltje op een detector onder de microscoop.

Miao's team ontdekte dat door metingen te doen onder 69 verschillende hoeken, ze konden de gegevens van elke individuele schaduw combineren tot een 3D-reconstructie van het binnenste van het nanodeeltje. Met behulp van deze methode, wat bekend staat als elektronentomografie, Miao's team was in staat om individuele atomen direct te zien en hoe ze zich in het specifieke gouden nanodeeltje bevonden.

momenteel, Röntgenkristallografie is de primaire methode voor het visualiseren van 3D-moleculaire structuren met atomaire resoluties. Echter, deze methode omvat het meten van veel bijna identieke monsters en het middelen van de resultaten. Röntgenkristallografie neemt typisch een gemiddelde van biljoenen moleculen in beslag, waardoor bepaalde informatie verloren gaat in het proces, zei Miao.

"Het is alsof je iedereen op aarde bij elkaar brengt om een ​​idee te krijgen van hoe een mens eruitziet - je mist volledig de unieke kenmerken van elk individu, " hij zei.

Röntgenkristallografie is een krachtige techniek om de structuur van perfecte kristallen te onthullen, dat zijn materialen met een ongebroken honingraat van perfect uit elkaar geplaatste atomen, zo netjes opgesteld als boeken op een plank. Toch zijn de meeste structuren die in de natuur bestaan ​​niet-kristallijn, met structuren die veel minder geordend zijn dan hun kristallijne tegenhangers - stel je een rockconcert mosh pit voor in plaats van soldaten op parade.

"Onze huidige technologie is voornamelijk gebaseerd op kristalstructuren omdat we manieren hebben om ze te analyseren, " zei Miao. "Maar voor niet-kristallijne structuren, geen directe experimenten hebben eerder atomaire structuren in drie dimensies gezien."

Het onderzoeken van niet-kristallijne materialen is belangrijk omdat zelfs kleine variaties in structuur de elektronische eigenschappen van een materiaal sterk kunnen veranderen, merkte Miao op. Het vermogen om de binnenkant van een halfgeleider nauwkeurig te onderzoeken, bijvoorbeeld, kan verborgen interne gebreken aan het licht brengen die de prestaties kunnen beïnvloeden.

"De driedimensionale atomaire resolutie van niet-kristallijne structuren blijft een groot onopgelost probleem in de natuurwetenschappen, " hij zei.

Miao en zijn collega's hebben het niet-kristallijne raadsel nog niet helemaal opgelost, maar ze hebben aangetoond dat ze een structuur kunnen afbeelden die niet perfect kristallijn is met een resolutie van 2,4 angstrom (de gemiddelde grootte van een goudatoom is 2,8 angstrom). Het gouden nanodeeltje dat ze voor hun papier hebben gemeten, bleek te zijn samengesteld uit verschillende kristalkorrels, die elk een puzzelstukje vormen met atomen die zijn uitgelijnd in subtiel verschillende patronen. Een nanostructuur met verborgen kristallijne segmenten en grenzen aan de binnenkant zal zich anders gedragen dan een nanostructuur die is gemaakt van een enkelvoudig continu kristal - maar andere technieken zouden ze niet in drie dimensies kunnen visualiseren, zei Miao.

Miao's team ontdekte ook dat de kleine gouden klodder die ze bestudeerden in feite de vorm had van een veelzijdige edelsteen, hoewel aan één kant een beetje platgedrukt door te rusten op een plat podium in de gigantische microscoop - nog een klein detail dat misschien weggepoetst zou zijn bij het gebruik van meer traditionele methoden.

Dit project is geïnspireerd op Miao's eerdere onderzoek, waarbij manieren werden gevonden om de stralingsdosis die aan patiënten werd toegediend tijdens CT-scans te minimaliseren. Tijdens een scan, patiënten moeten onder verschillende hoeken worden geröntgend, en die metingen worden gecombineerd om artsen een beeld te geven van wat er in het lichaam zit. Miao vond een wiskundig efficiëntere manier om vergelijkbare afbeeldingen met een hoge resolutie te verkrijgen en scans onder minder hoeken te maken. Later realiseerde hij zich dat deze ontdekking nuttig zou kunnen zijn voor wetenschappers die de binnenkant van nanostructuren onderzoeken, niet alleen artsen die op zoek zijn naar tumoren of breuken.

nanostructuren, zoals patiënten, kan beschadigd raken als er te veel scans worden afgenomen. Een constant bombardement van hoogenergetische elektronen kan ertoe leiden dat de atomen in nanodeeltjes worden herschikt en het deeltje zelf van vorm verandert. Door zijn medische ontdekking toe te passen op zijn werk in materiaalkunde en nanowetenschappen, Miao was in staat om een ​​nieuwe manier te bedenken om in de kleinste structuren van het veld te kijken.

De ontdekking van Miao's team kan leiden tot verbeteringen in resolutie en beeldkwaliteit voor tomografieonderzoek op vele gebieden, inclusief de studie van biologische monsters.