Atomen zijn de bouwstenen van alle materie op aarde, en de patronen waarin ze zijn gerangschikt, bepalen hoe sterk, geleidend of flexibel een materiaal zal zijn. Nutsvoorzieningen, wetenschappers van UCLA hebben een krachtige microscoop gebruikt om de driedimensionale posities van individuele atomen in beeld te brengen met een precisie van 19 biljoenste van een meter, die meerdere malen kleiner is dan een waterstofatoom.

Hun observaties maken het mogelijk, Voor de eerste keer, om de macroscopische eigenschappen van materialen af ​​te leiden op basis van hun structurele rangschikking van atomen, die zal leiden hoe wetenschappers en ingenieurs vliegtuigonderdelen bouwen, bijvoorbeeld. Het onderzoek, geleid door Jianwei (John) Miao, een UCLA hoogleraar natuurkunde en astronomie en lid van UCLA's California NanoSystems Institute, wordt op 21 september gepubliceerd in de online editie van het tijdschrift Natuurmaterialen .

Al meer dan 100 jaar, onderzoekers hebben afgeleid hoe atomen in de driedimensionale ruimte zijn gerangschikt met behulp van een techniek die röntgenkristallografie wordt genoemd, waarbij wordt gemeten hoe lichtgolven van een kristal worden verstrooid. Echter, Röntgenkristallografie levert alleen informatie op over de gemiddelde posities van vele miljarden atomen in het kristal, en niet over de precieze coördinaten van individuele atomen.

"Het is alsof je een gemiddelde neemt van mensen op aarde, " zei Miao. "De meeste mensen hebben een hoofd, twee ogen, een neus en twee oren. Maar een afbeelding van de gemiddelde persoon zal er toch anders uitzien dan jij en ik."

Omdat röntgenkristallografie de structuur van een materiaal niet per atoom onthult, de techniek kan geen kleine onvolkomenheden in materialen identificeren, zoals de afwezigheid van een enkel atoom. Deze onvolkomenheden, bekend als puntdefecten, kan materialen verzwakken, wat gevaarlijk kan zijn als de materialen onderdelen zijn van machines zoals straalmotoren.

"Puntdefecten zijn erg belangrijk voor de moderne wetenschap en technologie, ' zei Miao.

Miao en zijn team gebruikten een techniek die bekend staat als scanning transmissie-elektronenmicroscopie, waarin een bundel elektronen kleiner dan de grootte van een waterstofatoom over een monster wordt gescand en meet hoeveel elektronen op elke scanpositie met de atomen interageren. De methode onthult de atomaire structuur van materialen omdat verschillende rangschikkingen van atomen ervoor zorgen dat elektronen op verschillende manieren interageren.

Echter, scanning transmissie-elektronenmicroscopen produceren alleen tweedimensionale beelden. Dus om een ​​3D-afbeelding te maken, moeten wetenschappers het monster één keer scannen, kantel het een paar graden en scan het opnieuw - herhaal het proces totdat de gewenste ruimtelijke resolutie is bereikt - voordat de gegevens van elke scan worden gecombineerd met behulp van een computeralgoritme. Het nadeel van deze techniek is dat de herhaalde elektronenstraalstraling het monster progressief kan beschadigen.

Met behulp van een scanning transmissie-elektronenmicroscoop in de Molecular Foundry van het Lawrence Berkeley National Laboratory, Miao en zijn collega's analyseerden een klein stukje wolfraam, een element dat wordt gebruikt in gloeilampen. Omdat het monster 62 keer werd gekanteld, konden de onderzoekers langzaam een ​​3D-model van 3 samenstellen, 769 atomen in de punt van het wolfraammonster.

Het experiment was tijdrovend omdat de onderzoekers na elke kanteling enkele minuten moesten wachten voordat de opstelling was gestabiliseerd.

"Onze metingen zijn zo nauwkeurig, en alle trillingen - zoals een persoon die voorbijloopt - kunnen van invloed zijn op wat we meten, " zei Peter Ercius, een stafwetenschapper aan het Lawrence Berkeley National Laboratory en een auteur van het artikel.

De onderzoekers vergeleken de beelden van de eerste en laatste scan om te verifiëren dat het wolfraam niet was beschadigd door de straling, dankzij de elektronenstraalenergie die onder de stralingsschadedrempel van wolfraam wordt gehouden.

Miao en zijn team toonden aan dat de atomen in de punt van het wolfraammonster in negen lagen waren gerangschikt, waarvan de zesde een puntdefect bevatte. De onderzoekers denken dat het defect een gat was in een anderszins gevulde laag atomen of een of meer in elkaar lopende atomen van een lichter element zoals koolstof.

Ongeacht de aard van het puntdefect, het vermogen van de onderzoekers om zijn aanwezigheid te detecteren is aanzienlijk, voor het eerst aantonen dat de coördinaten van individuele atomen en puntdefecten in drie dimensies kunnen worden vastgelegd.

"We hebben een grote doorbraak gemaakt, ' zei Miao.

Miao en zijn team zijn van plan voort te bouwen op hun resultaten door te bestuderen hoe atomen zijn gerangschikt in materialen die magnetisme of energieopslagfuncties bezitten, which will help inform our understanding of the properties of these important materials at the most fundamental scale.

"I think this work will create a paradigm shift in how materials are characterized in the 21st century, " he said. "Point defects strongly influence a material's properties and are discussed in many physics and materials science textbooks. Our results are the first experimental determination of a point defect inside a material in three dimensions."