(Phys.org) — Met behulp van een ultramoderne microscoop en nieuwe methoden voor beeldverwerking, een multi-institutioneel team van onderzoekers heeft een inventieve manier bedacht om de posities van afzonderlijke atoomplaatsen in materialen nauwkeuriger dan ooit tevoren te meten.

In een artikel gepubliceerd op 11 juni, 2014 in het tijdschrift Natuurcommunicatie , het team toonde het vermogen aan om atomen te lokaliseren in afbeeldingen met hoge resolutie van materialen tot beter dan één picometer, of een honderdste van een nanometer. Dat is meer dan vijf keer beter dan eerdere beeldvormingsmethoden.

Andrew Jankovitsj, een afgestudeerde student materiaalwetenschappen en techniek aan de Universiteit van Wisconsin-Madison, is de eerste auteur op het papier.

De nieuwe techniek stelt onderzoekers in staat om voorheen niet-detecteerbare verschuivingen van afzonderlijke atomaire locaties in een materiaal te lokaliseren. Inzichten in deze atomaire verschuivingen kunnen de weg vrijmaken voor innovatieve nieuwe materialen.

"Vóór ons werk, wetenschappers zouden röntgendiffractietechnieken kunnen gebruiken om miljoenen atomen tegelijk te meten, en als een hele hoop van die atomen een beetje dichterbij of iets verder uit elkaar bewegen, die verschuiving is meetbaar, " zegt co-auteur Paul Voyles, een universitair hoofddocent materiaalkunde en engineering aan UW-Madison.

Hoewel röntgendiffractie nog steeds een betere manier is om verschuivingen met grote aantallen atomen met een veel hogere precisie te meten, het biedt geen bruikbare metingen voor bepaalde structuren waar onderzoekers verschuivingen in slechts een paar atomen proberen te meten.

"Nutsvoorzieningen, met deze nieuwe techniek we kunnen zeggen 'dit atoom is iets dichter bij dat atoom gekomen - en we hebben het alleen over deze twee atomen, " zegt Voyles. "Dat geeft ons de mogelijkheid om vragen te beantwoorden over de atomaire oorsprong van de functie van geheel nieuwe klassen materialen, zoals metalen nanodeeltjeskatalysatoren, die voorheen heel moeilijk te meten waren."

Hoewel Voyles en zijn team een ​​ultramoderne scanning transmissie-elektronenmicroscoop (STEM) bij UW-Madison gebruiken om experimentele gegevens te verzamelen, het meten van atomaire structuren op picometerschaal is buitengewoon moeilijk, zegt Voyles.

"Als er iets beweegt - de sondestraal van elektronen, het voorbeeld, de microscoop zelf, of de elektrische stroom die door een van de lenzen stroomt - dan voegt het instabiliteit toe aan het beeld, wat betekent dat atomen zich verplaatsen van waar ze zouden moeten zijn in het beeld, " zegt Voyles. "De STEM is extreem gevoelig voor de omgeving waarin hij zich bevindt."

Voyles startte dit onderzoeksproject omdat hij op zoek was naar een oplossing voor deze instrumentele instabiliteiten, die het vermogen om nauwkeurigere metingen van atomaire locaties te maken beperkt.

Volgens Voyles speelde interdisciplinaire samenwerking een cruciale rol bij het oplossen van het probleem. Hij ontmoette zijn medewerkers tijdens een workshop georganiseerd door co-auteurs Peter Binev en Wolfgang Dahmen aan het Interdisciplinair Mathematics Institute van de Universiteit van South Carolina, die Voyles en anderen op het gebied van elektronenmicroscopie uitnodigde om te praten over uitdagingen in hun vakgebied. Hij zocht samen met experts in toegepaste wiskunde en beeldverwerking naar oplossingen.

Voyles zegt dat de doorbraak kwam toen het team nieuwe en slimme manieren vond om datawetenschapstechnieken uit de toegepaste wiskunde te combineren om met STEM-materiaalgegevens te werken. Het resultaat was een nieuwe combinatie van wiskunde en algoritmen, ingebouwd in een softwaretool.

De nieuwe techniek houdt in dat met behulp van de STEM zo snel mogelijk zo'n 500 opnames van een monster worden gemaakt. De afbeeldingen zouden allemaal hetzelfde moeten zijn, maar dat zijn ze niet, omdat de instabiliteiten ervoor kunnen zorgen dat atomen in de verkeerde posities verschijnen. Om dit te corrigeren, de onderzoekers gebruiken een algoritme om alle instabiliteiten in elk beeld in te schatten en ongedaan te maken, het opleveren van gecorrigeerde beelden op een nieuw niveau van precisie.

De volgende stappen zijn om de bruikbaarheid en efficiëntie van de software te verbeteren en breed beschikbaar te maken.

"Ik denk dat er een grote kans is voor voortdurende interdisciplinaire samenwerking van een soortgelijk type als wat we hebben gedaan, om nieuwe antwoorden te vinden op wetenschappelijke vragen, ' zegt Voyles.