Bicchiere, gomma e plastica appartengono tutte a una classe di materia chiamata solidi amorfi. E nonostante quanto siano comuni nella nostra vita quotidiana, i solidi amorfi rappresentano da tempo una sfida per gli scienziati.

Dagli anni '10, gli scienziati sono riusciti a mappare in 3D le strutture atomiche dei cristalli, l'altra grande classe di solidi, che ha portato a una miriade di progressi nella fisica, chimica, biologia, scienza dei materiali, geologia, nanoscienza, scoperta di farmaci e altro ancora. Ma poiché i solidi amorfi non sono assemblati in rigidi, strutture atomiche ripetitive come i cristalli sono, hanno sfidato la capacità dei ricercatori di determinare la loro struttura atomica con lo stesso livello di precisione.

Fino ad ora, questo è.

Uno studio condotto dall'UCLA sulla rivista Natura riporta la prima determinazione in assoluto della struttura atomica 3D di un solido amorfo, in questo caso, un materiale chiamato vetro metallico.

"Sappiamo così tanto sui cristalli, eppure la maggior parte della materia sulla Terra non è cristallina e sappiamo così poco della loro struttura atomica, " ha detto l'autore senior dello studio, Jianwei "John" Miao, un professore di fisica e astronomia dell'UCLA e membro del California NanoSystems Institute dell'UCLA.

Osservare la disposizione atomica 3D di un solido amorfo è stato il sogno di Miao sin da quando era uno studente laureato. Quel sogno ora è stato realizzato, dopo 22 anni di incessante ricerca.

"Questo studio ha appena aperto una nuova porta, " Egli ha detto.

I vetri metallici tendono ad essere sia più resistenti che più modellabili rispetto ai metalli cristallini standard, e sono utilizzati oggi in prodotti che vanno dai trasformatori elettrici alle mazze da golf di fascia alta e agli alloggiamenti per laptop Apple e altri dispositivi elettronici. Comprendere la struttura atomica dei vetri metallici potrebbe aiutare gli ingegneri a progettare versioni ancora migliori di questi materiali, per una gamma ancora più ampia di applicazioni.

I ricercatori hanno utilizzato una tecnica chiamata tomografia elettronica atomica, un tipo di imaging 3D introdotto da Miao e dai suoi collaboratori. L'approccio prevede la trasmissione di elettroni attraverso un campione e la raccolta di un'immagine sull'altro lato. Il campione viene ruotato in modo che le misurazioni possano essere prese da più angolazioni, ottenendo dati che vengono uniti per produrre un'immagine 3D.

"Abbiamo combinato la microscopia elettronica all'avanguardia con potenti algoritmi e tecniche di analisi per studiare le strutture fino al livello dei singoli atomi, " ha detto il co-autore Peter Ercio, uno scienziato del personale presso la Molecular Foundry del Lawrence Berkeley National Laboratory, dove è stato condotto l'esperimento. "La conoscenza diretta delle strutture amorfe a questo livello è un punto di svolta per le scienze fisiche".

I ricercatori hanno esaminato un campione di vetro metallico di circa 8 nanometri di diametro, composto da otto metalli diversi. (Un nanometro è un miliardesimo di metro.) Utilizzando 55 immagini di tomografia elettronica atomica, Miao e colleghi hanno creato una mappa 3D dei circa 18, 000 atomi che componevano la nanoparticella.

Poiché i solidi amorfi sono stati così difficili da caratterizzare, i ricercatori si aspettavano che gli atomi fossero disposti caoticamente. E sebbene circa l'85% degli atomi fosse in una disposizione disordinata, i ricercatori sono stati in grado di identificare sacche in cui una frazione di atomi si fondeva in superammassi ordinati. La scoperta ha dimostrato che anche all'interno di un solido amorfo, la disposizione degli atomi non è del tutto casuale.

Miao ha riconosciuto un limite della ricerca, sopportato dai limiti della microscopia elettronica stessa. Alcuni degli atomi di metallo erano di dimensioni così simili che l'imaging elettronico non riusciva a distinguerli. Ai fini dello studio, i ricercatori hanno raggruppato i metalli in tre categorie, unendo i vicini della tavola periodica degli elementi:cobalto e nichel nella prima categoria; rutenio, rodio, palladio e argento nella seconda; e iridio e platino nel terzo.

La ricerca è stata supportata principalmente dallo STROBE National Science Foundation Science and Technology Center, di cui Miao è vicedirettore, e in parte dal Dipartimento dell'Energia degli Stati Uniti.

"Questo risultato innovativo esemplifica il potere di un team transdisciplinare, " ha detto Charles Ying, il funzionario del programma della National Science Foundation che sovrintende al finanziamento del centro STROBE. "Dimostra la necessità di un supporto a lungo termine di un centro per affrontare questo tipo di progetto di ricerca complesso".

I co-primi autori dello studio sono lo studente laureato Yao Yang, l'ex assistente scienziato del progetto Jihan Zhou, ex ricercatore post-dottorato Fan Zhu, e ricercatore post-dottorato Yakun Yuan, tutti i membri attuali o precedenti del gruppo di ricerca di Miao all'UCLA. Altri coautori dell'UCLA sono gli studenti laureati Dillan Chang e Arjun Rana; ex studiosi post-dottorato Dennis Kim e Xuezeng Tian; assistente professore a contratto di matematica Minh Pham; e il professore di matematica Stanley Osher.

Altri coautori sono Yonggang Yao e Liangbing Hu dell'Università del Maryland, Parco dell'università; e Andreas Schmid e Peter Ercius del Lawrence Berkeley National Laboratory.

"Questo lavoro è una grande illustrazione di come affrontare le grandi sfide di vecchia data riunendo scienziati con molti background diversi in fisica, matematica, scienza dei materiali e dell'immagine, con forti partnership tra università e laboratori nazionali, " disse Margaret Murnane, direttore del centro STROBE. "Questa è una squadra spettacolare".