Wetenschappers gebruikten een van 's werelds krachtigste elektronenmicroscopen om de precieze locatie en het chemische type van 23, 000 atomen in een extreem klein deeltje gemaakt van ijzer en platina.

De 3D-reconstructie onthult de rangschikking van atomen in ongekend detail, waardoor de wetenschappers chemische orde en wanorde in individuele granen kunnen meten, die licht werpt op de eigenschappen van het materiaal op het niveau van één atoom. Inzichten verkregen uit de structuur van het deeltje kunnen leiden tot nieuwe manieren om de magnetische prestaties te verbeteren voor gebruik in hoge dichtheid, harde schijven van de volgende generatie.

Bovendien, de techniek die is gebruikt om de reconstructie te maken, atomaire elektronentomografie (wat lijkt op een CT-scan met een ongelooflijk hoge resolutie), legt de basis voor het nauwkeurig in kaart brengen van de atomaire samenstelling van andere bruikbare nanodeeltjes. Dit zou kunnen onthullen hoe de deeltjes kunnen worden geoptimaliseerd voor efficiëntere katalysatoren, sterkere materialen, en ziektedetecterende fluorescerende tags.

Microscopiegegevens werden verkregen en geanalyseerd door wetenschappers van het Lawrence Berkeley National Laboratory (Berkeley Lab) van het Department of Energy van de Molecular Foundry, in samenwerking met Foundry-gebruikers van UCLA, Oak Ridge Nationaal Laboratorium, en de Universiteit van Birmingham in het Verenigd Koninkrijk. Het onderzoek wordt op 2 februari gerapporteerd in het tijdschrift Natuur .

Atomen zijn de bouwstenen van materie, en de patronen waarin ze zijn gerangschikt, bepalen de eigenschappen van een materiaal. Deze patronen kunnen ook worden gebruikt om de functie van een materiaal aanzienlijk te verbeteren, daarom willen wetenschappers graag de 3D-structuur van nanodeeltjes op de kleinst mogelijke schaal bepalen.

"Ons onderzoek is een grote stap in deze richting. We kunnen nu een momentopname maken die de posities van alle atomen in een nanodeeltje op een specifiek punt in zijn groei laat zien. Dit zal ons helpen te leren hoe nanodeeltjes atoom voor atoom groeien, en het vormt de basis voor een materiaalontwerpbenadering die begint bij de kleinste bouwstenen, " zegt Mary Scott, die het onderzoek deed terwijl ze een Foundry-gebruiker was, en wie is nu een stafwetenschapper. Scott en collega Foundry-wetenschappers Peter Ercius en Colin Ophus ontwikkelden de methode in nauwe samenwerking met Jianwei Miao, een UCLA hoogleraar natuurkunde en sterrenkunde.

Hun reconstructie van nanodeeltjes bouwt voort op een prestatie die ze vorig jaar rapporteerden, waarbij ze de coördinaten van meer dan 3, 000 atomen in een wolfraamnaald met een precisie van 19 biljoenste van een meter (19 picometer), dat vele malen kleiner is dan een waterstofatoom. Nutsvoorzieningen, ze hebben dezelfde precisie genomen, de mogelijkheid toegevoegd om verschillende elementen te onderscheiden, en de reconstructie opgeschaald naar tienduizenden atomen.

belangrijk, hun methode brengt de positie van elk atoom in een enkele, uniek nanodeeltje. In tegenstelling tot, Röntgenkristallografie en cryo-elektronenmicroscopie plotten de gemiddelde positie van atomen van veel identieke monsters. Deze methoden maken aannames over de rangschikking van atomen, wat niet geschikt is voor nanodeeltjes omdat er geen twee hetzelfde zijn.

"We moeten de locatie en het type van elk atoom bepalen om echt te begrijpen hoe een nanodeeltje op atomaire schaal functioneert, ' zegt Ercius.

EEN TEAM-aanpak

De nieuwste prestatie van de wetenschappers was gebaseerd op het gebruik van een van de transmissie-elektronenmicroscopen met de hoogste resolutie ter wereld, genaamd TEAM I. Het bevindt zich in het National Center for Electron Microscopy, dat is een Molecular Foundry-faciliteit. De microscoop scant een monster met een gefocusseerde bundel elektronen, en meet vervolgens hoe de elektronen interageren met de atomen in het monster. Het heeft ook een piëzo-gestuurde tafel die monsters positioneert met een ongeëvenaarde stabiliteit en nauwkeurigheid van de positiecontrole.

De onderzoekers begonnen een ijzer-platina nanodeeltje te kweken uit de samenstellende elementen, en stopte vervolgens de groei van het deeltje voordat het volledig was gevormd. Ze plaatsten het "gedeeltelijk gebakken" deeltje in de TEAM I-fase, verkreeg een 2D-projectie van zijn atomaire structuur, een paar graden gedraaid, een andere projectie verkregen, enzovoort. Elke 2D-projectie geeft iets meer informatie over de volledige 3D-structuur van het nanodeeltje.

Ze stuurden de projecties naar Miao aan de UCLA, die een geavanceerd computeralgoritme gebruikte om de 2D-projecties om te zetten in een 3D-reconstructie van het deeltje. De individuele atomaire coördinaten en chemische typen werden vervolgens getraceerd vanuit de 3D-dichtheid op basis van de wetenschap dat ijzeratomen lichter zijn dan platina-atomen. De resulterende atomaire structuur bevat 6, 569 ijzeratomen en 16, 627 platina-atomen, met de coördinaten van elk atoom nauwkeurig uitgezet tot minder dan de breedte van een waterstofatoom.

Vertalen van de data naar wetenschappelijke inzichten

Interessante kenmerken kwamen naar voren op deze extreme schaal nadat wetenschappers van Molecular Foundry de code gebruikten die ze hadden ontwikkeld om de atomaire structuur te analyseren. Bijvoorbeeld, de analyse onthulde chemische orde en wanorde in in elkaar grijpende korrels, waarin de ijzer- en platina-atomen in verschillende patronen zijn gerangschikt. Dit heeft grote gevolgen voor hoe het deeltje groeide en zijn magnetische eigenschappen in de echte wereld. De analyse onthulde ook defecten aan één atoom en de breedte van ongeordende grenzen tussen korrels, wat voorheen niet mogelijk was in complexe 3D-grenzen.

"Het belangrijke materiaalwetenschappelijke probleem dat we aanpakken, is hoe dit materiaal transformeert van een sterk gerandomiseerde structuur, wat we een chemisch ongeordende structuur noemen, in een regelmatige hooggeordende structuur met de gewenste magnetische eigenschappen, ' zegt Opus.

Om te onderzoeken hoe de verschillende rangschikkingen van atomen de magnetische eigenschappen van het nanodeeltje beïnvloeden, wetenschappers van het Oak Ridge National Laboratory van DOE voerden computerberekeningen uit op de Titan-supercomputer bij ORNL - met behulp van de coördinaten en het chemische type van elk atoom - om het gedrag van het nanodeeltje in een magnetisch veld te simuleren. Hierdoor konden de wetenschappers patronen van atomen zien die erg magnetisch zijn, wat ideaal is voor harde schijven. Ze zagen ook patronen met slechte magnetische eigenschappen die de prestaties van een harde schijf zouden kunnen ondermijnen.

"Dit kan wetenschappers helpen om te leren hoe ze de groei van ijzer-platina-nanodeeltjes kunnen sturen, zodat ze sterker magnetische patronen van atomen ontwikkelen, ' zegt Ercius.

voegt Scott toe, "Breder, de beeldvormingstechniek zal licht werpen op de nucleatie en groei van geordende fasen binnen nanodeeltjes, die niet volledig theoretisch wordt begrepen, maar van cruciaal belang is voor verschillende wetenschappelijke disciplines en technologieën."