Soms, eigendom van een materiaal, zoals magnetisme en katalyse, kan drastisch veranderen als gevolg van niets meer dan minieme veranderingen in de scheiding tussen de atomen, gewoonlijk aangeduid als 'lokale stammen' in het spraakgebruik van materiaalkunde. Een nauwkeurige meting van dergelijke lokale stammen is, daarom, belangrijk voor materiaalwetenschappers.

Een krachtige techniek die hiervoor wordt gebruikt, is 'high-angle ringar dark-field imaging' (HAADF), een benadering binnen scanning transmissie-elektronenmicroscopie die beelden produceert met heldere vlekken die theoretisch samenvallen met atomaire posities. Echter, in praktijk, HAADF-beelden zijn vaak vervormd door mechanische en elektrische ruis in het apparaat, het beperken van de kleinste meetbare lokale stammen tot iets meer dan 1%.

Nutsvoorzieningen, een team van wetenschappers onder leiding van assistent-professor Kohei Aso van het Japan Advanced Institute of Science and Technology (JAIST), Japan, een methode uit de datawetenschap hebben gebruikt om de spanningsverdeling in materialen nauwkeuriger te meten, het verbeteren van de precisie van HAADF-beeldvorming. Deze studie, gepubliceerd in ACS Nano , werd uitgevoerd in samenwerking met JAIST Professor Yoshifumi Oshima, dan promovendus Jens Maebe, postdoctoraal onderzoeker Xuan Quy Tran, Universitair docent Tomokazu Yamamoto, en professor Syo Matsumura van Kyushu University, Japan.

Het team combineerde HAADF-beeldvorming met Gaussiaanse procesregressie (GPR), een gegevensverwerkingstechniek die veel wordt gebruikt in machine learning en in gebieden zoals economie en geologie. In een Gaussiaans proces, de werkelijke staat van de gegevens (in dit geval atomaire posities of verplaatsing) wordt verondersteld te worden weergegeven door een gladde functie, en willekeurige ruis wordt toegevoegd aan deze 'ware toestand' wanneer gegevens worden waargenomen. Door dit proces om te keren via GPR, men kan de ware posities van de atomen nauwkeuriger inschatten, en zo lokale spanningen met hogere precisie te berekenen. specifiek, de voorgestelde methode stelde het team in staat om spanning te meten met een precisie van 0,2%.

Het team demonstreerde het potentieel van hun aanpak door lokale spanningen in gouden nanostructuren te meten en trekspanningen in een gouden nanosfeer te vergelijken met die in gouden nanostaafjes (in wezen cilinders met halfronde doppen) van verschillende lengtes. Deze vergelijkingen onthulden dat de spanningsverdelingen in gouden nanodeeltjes varieerden afhankelijk van hun vorm, met nanostaafjes die een treksterkte van ongeveer 0,5% vertonen in de buurt van het gebied waar de kromming abrupt verandert. Dr. Aso legt uit dat "het bekend is dat sferische gouden nanodeeltjes worden onderworpen aan uniforme spanning over hun gehele oppervlak, en deze spanning is evenredig met de oppervlaktespanning. Dus, uniforme drukspanning treedt op in de richting loodrecht op het oppervlak. In tegenstelling tot, in gouden nanostaafjes, de spanning die op het oppervlak wordt uitgeoefend, wordt niet-uniform, en wetenschappers hebben getheoretiseerd dat trekspanning op bepaalde plaatsen zou moeten voorkomen. Echter, dit was niet experimenteel bewezen, tot nu."

Met deze bevindingen het team is enthousiast over de toekomstperspectieven van hun rekmeetstrategie. "Onze techniek zal gedetailleerde informatie verschaffen over de atomaire wereld, wat nodig is voor de ontwikkeling van innovatieve materialen en apparaten met zowel hoge prestaties als kleine afmetingen. Dit kan nuttig zijn voor de ontwikkeling van apparaten en sensoren die gebruik maken van materialen en structuren op nanoschaal. Bovendien, de methode vereist geen dure aanpassingen of ingewikkelde procedures en kan gemakkelijk worden toegepast, " zegt dr. Aso.