Dagelijkse overgangen van de ene toestand van materie naar de andere, zoals bevriezing, smelten of verdampen - begin met een proces genaamd "kiemvorming, " waarin kleine clusters van atomen of moleculen ("kernen" genoemd) beginnen samen te smelten. Nucleatie speelt een cruciale rol in omstandigheden die zo divers zijn als de vorming van wolken en het begin van neurodegeneratieve ziekten.

Een door de UCLA geleid team heeft een nooit eerder gezien beeld gekregen van nucleatie - en heeft vastgelegd hoe de atomen zich herschikken met een 4-D atomaire resolutie (dat wil zeggen, in drie dimensies van ruimte en in de tijd). De bevindingen, gepubliceerd in het tijdschrift Natuur , verschillen van voorspellingen op basis van de klassieke nucleatietheorie die al lang in leerboeken is verschenen.

"Dit is echt een baanbrekend experiment - we lokaliseren en identificeren niet alleen individuele atomen met hoge precisie, maar ook voor het eerst hun beweging in 4-D volgen, " zei senior auteur Jianwei "John" Miao, een UCLA hoogleraar natuurkunde en sterrenkunde, die de plaatsvervangend directeur is van het STROBE National Science Foundation Science and Technology Center en lid van het California NanoSystems Institute aan de UCLA.

Onderzoek door het team, waaronder medewerkers van het Lawrence Berkeley National Laboratory, Universiteit van Colorado in Boulder, Universiteit van Buffalo en de Universiteit van Nevada, Rene, bouwt voort op een krachtige beeldvormingstechniek die eerder is ontwikkeld door de onderzoeksgroep van Miao. die methode, genaamd "atomaire elektronentomografie, " maakt gebruik van een ultramoderne elektronenmicroscoop in de Molecular Foundry van Berkeley Lab, die een monster afbeeldt met behulp van elektronen. Het monster wordt gedraaid, en op vrijwel dezelfde manier genereert een CAT-scan een driedimensionale röntgenfoto van het menselijk lichaam, atomaire elektronentomografie creëert verbluffende 3D-beelden van atomen in een materiaal.

Miao en zijn collega's onderzochten een ijzer-platinalegering gevormd tot nanodeeltjes die zo klein zijn dat er meer dan 10, 000 naast elkaar gelegd om de breedte van een mensenhaar te overspannen. Nucleatie onderzoeken, de wetenschappers verhitten de nanodeeltjes tot 520 graden Celsius, of 968 graden Fahrenheit, en nam foto's na 9 minuten, 16 minuten en 26 minuten. Bij die temperatuur, de legering ondergaat een overgang tussen twee verschillende vaste fasen.

Hoewel de legering er met het blote oog in beide fasen hetzelfde uitziet, Bij nadere inspectie blijkt dat de 3D-atomaire opstellingen van elkaar verschillen. Na verwarming, de structuur verandert van een warrige chemische toestand in een meer geordende toestand, met afwisselende lagen ijzer- en platinaatomen. De verandering in de legering kan worden vergeleken met het oplossen van een Rubik's Cube - in de warrige fase zijn alle kleuren willekeurig gemengd, terwijl de geordende fase alle kleuren heeft uitgelijnd.

In een nauwgezet proces onder leiding van co-eerste auteurs en UCLA-postdoctorale wetenschappers Jihan Zhou en Yongsoo Yang, het team volgde dezelfde 33 kernen - sommige zo klein als 13 atomen - binnen één nanodeeltje.

"Mensen denken dat het moeilijk is om een ​​speld in een hooiberg te vinden, "Zei Miao. "Hoe moeilijk zou het zijn om hetzelfde atoom in meer dan een biljoen atomen op drie verschillende tijdstippen te vinden?"

De resultaten waren verrassend, omdat ze in tegenspraak zijn met de klassieke theorie van nucleatie. Die theorie stelt dat kernen perfect rond zijn. In de studie, daarentegen, kernen vormden onregelmatige vormen. De theorie suggereert ook dat kernen een scherpe grens hebben. In plaats daarvan, de onderzoekers merkten op dat elke kern een kern van atomen bevatte die was veranderd in de nieuwe, geordende fase, maar dat de opstelling steeds meer door elkaar werd gegooid dichter bij het oppervlak van de kern.

De klassieke kiemvormingstheorie stelt ook dat zodra een kern een bepaalde grootte bereikt, het wordt alleen maar groter vanaf daar. Maar het proces lijkt veel ingewikkelder dan dat:naast groeien, kernen in de studie zijn gekrompen, verdeeld en samengevoegd; sommige losten volledig op.

"Nucleatie is in feite een onopgelost probleem op veel gebieden, " zei co-auteur Peter Ercius, een stafwetenschapper bij de Molecular Foundry, een nanowetenschapsfaciliteit die gebruikers geavanceerde instrumentatie en expertise biedt voor gezamenlijk onderzoek. "Als je eenmaal iets kunt voorstellen, je kunt beginnen na te denken over hoe je het kunt beheersen."

De bevindingen bieden direct bewijs dat de klassieke nucleatietheorie fenomenen op atomair niveau niet nauwkeurig beschrijft. De ontdekkingen over nucleatie kunnen van invloed zijn op onderzoek op een groot aantal gebieden, inclusief natuurkunde, scheikunde, materiaal kunde, milieuwetenschappen en neurowetenschappen.

"Door atomaire beweging in de loop van de tijd vast te leggen, deze studie opent nieuwe wegen voor het bestuderen van een breed scala aan materiaal, chemische en biologische verschijnselen, " zei Charles Ying, programmamedewerker van de National Science Foundation, die toezicht houdt op de financiering van het STROBE-centrum. "Dit transformatieve resultaat vereiste baanbrekende vooruitgang in experimenten, data-analyse en modellering, een uitkomst die de brede expertise van de onderzoekers van het centrum en hun medewerkers vereiste."