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纳米人
2021-05-04
知晓材料中精确组分和每个原子3D位置，就可以从物理定律层面对其雾化性质进行预测。晶体中的原子位置具有长程有序性，目前已经有诸多策略用于确定晶体材料中原子级精确的3D结构。在上个世纪，晶体学被广泛地应用于测定晶体样品的3D原子结构，这些原子级精确的结构是许多科学领域发展的基础。玻璃，塑料和非晶薄膜之类的非晶态固体在我们的日常生活中无处不在，并且被广泛应用到通讯、电子产品和太阳能电池等领域。然而，对于非晶态固体的3D原子结构，我们的了解还是十分有限。譬如缺乏长程周期性的玻璃态材料，其3D结构主要是从实验数据中间接推断出来的，在实验数据中，可以获得平均统计结构信息，或者需要模型拟合来分析局部原子有序性。这些定性的方法大大阻碍了我们对非晶固体的3D结构和相关现象的基本理解，如晶体-非晶相变和玻璃化相变。因此，对于缺乏长程有序性，无定形固体的三维（3D）原子结构，如何直接进行实验确定，困扰了科学家长达近一个世纪之久。原子电子断层扫描重建技术确定非晶态固体的3D原子位置有鉴于此，加州大学洛杉矶分校的Jianwei Miao教授等开发了一种原子电子断层扫描重建方法，成功通过实验确定了非晶态固体的3D原子位置。这项工作将为确定各种非晶态固体的3D结构铺平道路，同时可能会改变我们对非晶态材料和相关现象的基本理解。1. 首次实现了非晶材料的3D原子级精确结构。展示了使用AET直接确定非晶固体的3D原子结构的能力，这使我们能够在单原子水平上定量分析短程有序性和中程有序性。2、该表征技术具有普适性。除了本研究中的多组分玻璃态纳米颗粒，也适用于不同几何形状的样品，如薄膜等。研究人员使用多组分非晶态合金作为研究对象，定量表征了其3D原子短程和中程有序排列结构。研究发现，尽管短程有序的3D原子堆积在几何上是无序的，但一些短程有序的结构能够彼此连接形成晶体状的超团簇并产生中程有序结构。图1. 用AET测定多组分玻璃态纳米颗粒的3D原子结构。相较其他样品，每个立方纳米的玻璃都有独特的结构，作者结合了原子分辨率电子断层扫描技术和最先进的计算成像技术，生成了一系列高质量的2D图像，这些图像可以捕获对比度较低的图像。随后他们使用原始方法来重建得到最终原子分辨率的3D图像。该研究向金属玻璃结构精确模型预测迈出了重要一步。在该模型中，溶质原子（在玻璃中少量存在的溶质原子）位于溶剂原子簇的中心（占大多数原子）。这些团簇充当“超原子”，它们以大于原子尺度的尺寸紧密地堆积在一起，从而形成玻璃结构。
图4. 玻璃态纳米颗粒中中程有序的定量表征。最终，在无定形样品中确定了四种类晶体状中程有序结构：面心立方、六方密堆积、体心立方和简单立方。这些观察结果为进一步研究金属玻璃有效簇状堆积模型的3D原子堆积结构提供了直接的实验证据。这项工作，在非晶固体的3D结构的测定上开辟一个新的时代。1.Yang, Y., Zhou, J., Zhu, F. et al. Determining the three-dimensional atomic structure of an amorphous solid. Nature 592, 60–64 (2021).DOI: 10.1038/s41586-021-03354-0https://doi.org/10.1038/s41586-021-03354-02. Nature 592, 31-32 (2021)DOI: 10.1038/d41586-021-00794-6https://doi.org/10.1038/d41586-021-00794-6
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