(Phys.org) —Utilizzando un microscopio all'avanguardia e nuovi metodi di elaborazione delle immagini, un team multi-istituzionale di ricercatori ha ideato un modo innovativo per misurare le posizioni dei singoli siti atomici nei materiali in modo più preciso che mai.

In un articolo pubblicato l'11 giugno 2014 sulla rivista Comunicazioni sulla natura , il team ha dimostrato la capacità di individuare gli atomi in immagini ad alta risoluzione dei materiali con una precisione migliore di un picometro, o un centesimo di nanometro. Questo è più di cinque volte migliore rispetto ai precedenti metodi di imaging.

Andrew Yankovic, uno studente laureato in scienze dei materiali e ingegneria presso l'Università del Wisconsin-Madison, è il primo autore sulla carta.

La nuova tecnica consente ai ricercatori di individuare spostamenti precedentemente non rilevabili di singoli siti atomici in un materiale. Le intuizioni su questi cambiamenti atomici potrebbero aiutare a spianare la strada a nuovi materiali innovativi.

"Prima del nostro lavoro, gli scienziati potrebbero utilizzare le tecniche di diffrazione dei raggi X per misurare milioni di atomi alla volta, e se un intero gruppo di quegli atomi si sposta un po' più vicino o un po' più lontano, questo spostamento è misurabile, ", afferma il coautore Paul Voyles, professore associato di scienza e ingegneria dei materiali presso la UW-Madison.

Sebbene la diffrazione dei raggi X sia ancora un modo migliore per misurare gli spostamenti che coinvolgono un numero enorme di atomi con una precisione molto più elevata, non fornisce misurazioni utili per particolari strutture in cui i ricercatori stanno cercando di misurare gli spostamenti solo in pochi atomi.

"Ora, con questa nuova tecnica, possiamo dire 'questo atomo si è avvicinato un po' a quell'atomo, e stiamo parlando solo di questi due atomi, " dice Voyles. "Questo ci dà la capacità di rispondere a domande sull'origine atomica della funzione di classi di materiali completamente nuove, come catalizzatori di nanoparticelle metalliche, che prima erano molto difficili da misurare."

Sebbene Voyles e il suo team utilizzino un microscopio elettronico a trasmissione a scansione all'avanguardia (STEM) all'UW-Madison per raccogliere dati sperimentali, misurare le strutture atomiche alla scala del picometro è estremamente difficile, dice Voyles.

"Se qualcosa si muove, il raggio sonda di elettroni, il campione, il microscopio stesso, o la corrente elettrica che scorre in uno qualsiasi degli obiettivi, quindi aggiunge instabilità all'immagine, il che significa che gli atomi si allontanano da dove dovrebbero essere nell'immagine, " dice Voyles. "Lo STEM è estremamente sensibile all'ambiente in cui si trova."

Voyles ha iniziato questo progetto di ricerca perché stava cercando una soluzione a queste instabilità strumentali, che limitava la capacità di effettuare misurazioni più precise dei siti atomici.

Voyles afferma che la collaborazione interdisciplinare ha svolto un ruolo cruciale nella risoluzione del problema. Ha incontrato i suoi collaboratori in un workshop organizzato dai coautori Peter Binev e Wolfgang Dahmen presso l'Interdisciplinary Mathematics Institute presso l'Università del South Carolina, che ha invitato Voyles e altri nel campo della microscopia elettronica a parlare delle sfide nel loro campo. Ha collaborato con esperti in matematica applicata ed elaborazione delle immagini per cercare soluzioni.

Voyles afferma che la svolta è arrivata quando il team ha trovato modi nuovi e intelligenti per combinare le tecniche di data science dalla matematica applicata per lavorare con i dati dei materiali STEM. Il risultato fu una nuova combinazione di matematica e algoritmi, integrato in uno strumento software.

La nuova tecnica prevede l'utilizzo dello STEM per acquisire circa 500 immagini di un campione il più rapidamente possibile. Le immagini dovrebbero essere tutte uguali, ma non lo sono, perché le instabilità possono far apparire gli atomi nelle posizioni sbagliate. Per correggere questo, i ricercatori utilizzano un algoritmo per stimare tutte le instabilità in ogni immagine e annullarle, producendo immagini corrette a un nuovo livello di precisione.

I prossimi passi sarebbero migliorare l'usabilità e l'efficienza del software e renderlo ampiamente disponibile.

"Penso che ci sia una grande opportunità per una collaborazione interdisciplinare continua di tipo simile a quello che abbiamo fatto, per avanzare verso nuove risposte a domande scientifiche, "dice Voyles.