(PhysOrg.com) -- I ricercatori dell'UCLA sono ora in grado di scrutare in profondità nelle strutture più piccole del mondo per creare immagini tridimensionali dei singoli atomi e delle loro posizioni. La loro ricerca, pubblicato il 22 marzo sulla rivista Natura , presenta un nuovo metodo per misurare direttamente la struttura atomica dei nanomateriali.

"Questo è il primo esperimento in cui possiamo vedere direttamente le strutture locali in tre dimensioni a una risoluzione su scala atomica - che non è mai stato fatto prima, " disse Jianwei (John) Miao, professore di fisica e astronomia e ricercatore presso il California NanoSystems Institute (CNSI) presso l'UCLA.

Miao e i suoi colleghi hanno usato un microscopio elettronico a scansione a trasmissione per spazzare un fascio stretto di elettroni ad alta energia su una minuscola particella d'oro di soli 10 nanometri di diametro (quasi 1, 000 volte più piccolo di un globulo rosso). La nanoparticella conteneva decine di migliaia di singoli atomi d'oro, ciascuno circa un milione di volte più piccolo della larghezza di un capello umano. Questi atomi interagiscono con gli elettroni che passano attraverso il campione, proiettare ombre che contengono informazioni sulla struttura interna della nanoparticella su un rivelatore sotto il microscopio.

Il team di Miao ha scoperto che effettuando misurazioni a 69 angoli diversi, potrebbero combinare i dati raccolti da ogni singola ombra in una ricostruzione 3-D dell'interno della nanoparticella. Usando questo metodo, nota come tomografia elettronica, Il team di Miao è stato in grado di vedere direttamente i singoli atomi e il modo in cui erano posizionati all'interno della specifica nanoparticella d'oro.

Attualmente, La cristallografia a raggi X è il metodo principale per visualizzare strutture molecolari 3D a risoluzioni atomiche. Però, questo metodo prevede la misurazione di molti campioni quasi identici e la media dei risultati. La cristallografia a raggi X richiede in genere una media di trilioni di molecole, che causa la perdita di alcune informazioni nel processo, disse Miao.

"È come fare la media insieme di tutti sulla Terra per avere un'idea di come sia un essere umano:ti mancano completamente le caratteristiche uniche di ogni individuo, " Egli ha detto.

La cristallografia a raggi X è una tecnica potente per rivelare la struttura dei cristalli perfetti, che sono materiali con un alveare ininterrotto di atomi perfettamente distanziati allineati ordinatamente come libri su uno scaffale. Eppure la maggior parte delle strutture esistenti in natura non sono cristalline, con strutture molto meno ordinate rispetto alle loro controparti cristalline:immagina un mosh pit da concerto rock piuttosto che soldati in parata.

"La nostra tecnologia attuale si basa principalmente su strutture cristalline perché abbiamo modi per analizzarle, " disse Miao. "Ma per le strutture non cristalline, nessun esperimento diretto ha mai visto strutture atomiche in tre dimensioni prima".

Il sondaggio di materiali non cristallini è importante perché anche piccole variazioni nella struttura possono alterare notevolmente le proprietà elettroniche di un materiale, ha notato Miao. La capacità di esaminare da vicino l'interno di un semiconduttore, Per esempio, potrebbe rivelare difetti interni nascosti che potrebbero influire sulle sue prestazioni.

"La risoluzione atomica tridimensionale delle strutture non cristalline rimane un grosso problema irrisolto nelle scienze fisiche, " Egli ha detto.

Miao e i suoi colleghi non hanno ancora risolto l'enigma non cristallino, ma hanno dimostrato di poter visualizzare una struttura che non è perfettamente cristallina con una risoluzione di 2,4 angstrom (la dimensione media di un atomo d'oro è di 2,8 angstrom). La nanoparticella d'oro che hanno misurato per la loro carta si è rivelata composta da diversi grani di cristallo diversi, ciascuno formando un pezzo di puzzle con atomi allineati in modelli leggermente diversi. Una nanostruttura con segmenti cristallini nascosti e confini all'interno si comporterà diversamente da una fatta di un singolo cristallo continuo, ma altre tecniche non sarebbero state in grado di visualizzarli in tre dimensioni, disse Miao.

Il team di Miao ha anche scoperto che il piccolo blob dorato che hanno studiato aveva in effetti la forma di una gemma sfaccettata, sebbene leggermente schiacciato su un lato dal poggiare su un tavolino piatto all'interno del gigantesco microscopio - un altro piccolo dettaglio che potrebbe essere stato eliminato con la media utilizzando metodi più tradizionali.

Questo progetto è stato ispirato dalla precedente ricerca di Miao, che ha comportato la ricerca di modi per ridurre al minimo la dose di radiazioni somministrata ai pazienti durante le scansioni TC. Durante una scansione, i pazienti devono essere sottoposti a raggi X da una varietà di angolazioni, e queste misurazioni vengono combinate per dare ai medici un'immagine di cosa c'è dentro il corpo. Miao ha trovato un modo matematicamente più efficiente per ottenere immagini simili ad alta risoluzione durante le scansioni da meno angolazioni. In seguito si rese conto che questa scoperta poteva avvantaggiare gli scienziati che sondavano l'interno delle nanostrutture, non solo medici in cerca di tumori o fratture.

Nanostrutture, come pazienti, possono essere danneggiati se vengono amministrate troppe scansioni. Un bombardamento costante di elettroni ad alta energia può causare il riarrangiamento degli atomi nelle nanoparticelle e il cambiamento di forma della particella stessa. Portando la sua scoperta medica nel suo lavoro nella scienza dei materiali e nella nanoscienza, Miao è stato in grado di inventare un nuovo modo di sbirciare all'interno delle strutture più piccole del campo.

La scoperta fatta dal team di Miao può portare a miglioramenti nella risoluzione e nella qualità dell'immagine per la ricerca tomografia in molti campi, compreso lo studio di campioni biologici.