Gli atomi sono gli elementi costitutivi di tutta la materia sulla Terra, e gli schemi in cui sono disposti determinano quanto siano forti, sarà un materiale conduttivo o flessibile. Ora, gli scienziati dell'UCLA hanno utilizzato un potente microscopio per visualizzare le posizioni tridimensionali dei singoli atomi con una precisione di 19 trilionesimi di metro, che è parecchie volte più piccolo di un atomo di idrogeno.

Le loro osservazioni rendono possibile, per la prima volta, dedurre le proprietà macroscopiche dei materiali in base alla loro disposizione strutturale degli atomi, che guiderà il modo in cui scienziati e ingegneri costruiscono componenti di aeromobili, Per esempio. La ricerca, guidato da Jianwei (John) Miao, un professore di fisica e astronomia dell'UCLA e membro del California NanoSystems Institute dell'UCLA, è pubblicato il 21 settembre nell'edizione online della rivista Materiali della natura .

Da più di 100 anni, i ricercatori hanno dedotto come gli atomi sono disposti nello spazio tridimensionale usando una tecnica chiamata cristallografia a raggi X, che comporta la misurazione di come le onde luminose si disperdono da un cristallo. Però, La cristallografia a raggi X fornisce solo informazioni sulle posizioni medie di molti miliardi di atomi nel cristallo, e non sulle coordinate precise dei singoli atomi.

"È come prendere una media di persone sulla Terra, "Miao ha detto. "La maggior parte delle persone ha una testa, due occhi, un naso e due orecchie. Ma un'immagine della persona media sarà ancora diversa da te e da me".

Poiché la cristallografia a raggi X non rivela la struttura di un materiale su base per atomo, la tecnica non è in grado di identificare piccole imperfezioni nei materiali come l'assenza di un singolo atomo. Queste imperfezioni, noti come difetti puntuali, può indebolire i materiali, che può essere pericoloso quando i materiali sono componenti di macchine come i motori a reazione.

"I difetti puntuali sono molto importanti per la scienza e la tecnologia moderne, " disse Miao.

Miao e il suo team hanno utilizzato una tecnica nota come microscopia elettronica a trasmissione a scansione, in cui un fascio di elettroni più piccolo delle dimensioni di un atomo di idrogeno viene scansionato su un campione e misura quanti elettroni interagiscono con gli atomi in ciascuna posizione di scansione. Il metodo rivela la struttura atomica dei materiali perché le diverse disposizioni degli atomi fanno sì che gli elettroni interagiscano in modi diversi.

Però, i microscopi elettronici a trasmissione a scansione producono solo immagini bidimensionali. Quindi la creazione di un'immagine 3D richiede agli scienziati di scansionare il campione una volta, inclinarlo di alcuni gradi ed eseguire nuovamente la scansione, ripetendo il processo fino a raggiungere la risoluzione spaziale desiderata, prima di combinare i dati di ciascuna scansione utilizzando un algoritmo informatico. Lo svantaggio di questa tecnica è che la radiazione ripetuta del fascio di elettroni può danneggiare progressivamente il campione.

Utilizzando un microscopio elettronico a scansione a trasmissione presso la Molecular Foundry del Lawrence Berkeley National Laboratory, Miao e i suoi colleghi hanno analizzato un piccolo pezzo di tungsteno, un elemento utilizzato nelle lampadine a incandescenza. Poiché il campione è stato inclinato 62 volte, i ricercatori sono stati in grado di assemblare lentamente un modello 3D di 3, 769 atomi nella punta del campione di tungsteno.

L'esperimento ha richiesto molto tempo perché i ricercatori hanno dovuto attendere diversi minuti dopo ogni inclinazione affinché l'installazione si stabilizzasse.

"Le nostre misurazioni sono così precise, e qualsiasi vibrazione, come una persona che cammina, può influenzare ciò che misuriamo, " disse Pietro Ercio, uno scienziato del personale del Lawrence Berkeley National Laboratory e autore dell'articolo.

I ricercatori hanno confrontato le immagini della prima e dell'ultima scansione per verificare che il tungsteno non fosse stato danneggiato dalle radiazioni, grazie al fatto che l'energia del fascio di elettroni viene mantenuta al di sotto della soglia di danno da radiazione del tungsteno.

Miao e il suo team hanno mostrato che gli atomi sulla punta del campione di tungsteno erano disposti in nove strati, il sesto dei quali conteneva un difetto puntuale. I ricercatori ritengono che il difetto fosse un buco in uno strato di atomi altrimenti riempito o uno o più atomi interconnessi di un elemento più leggero come il carbonio.

Indipendentemente dalla natura del difetto puntuale, la capacità dei ricercatori di rilevarne la presenza è significativa, dimostrando per la prima volta che le coordinate dei singoli atomi e dei difetti puntuali possono essere registrate in tre dimensioni.

"Abbiamo fatto un grande passo avanti, " disse Miao.

Miao e il suo team hanno in programma di sfruttare i loro risultati studiando come gli atomi sono organizzati in materiali che possiedono magnetismo o funzioni di accumulo di energia, che aiuterà a informare la nostra comprensione delle proprietà di questi importanti materiali alla scala più fondamentale.

"I think this work will create a paradigm shift in how materials are characterized in the 21st century, " he said. "Point defects strongly influence a material's properties and are discussed in many physics and materials science textbooks. Our results are the first experimental determination of a point defect inside a material in three dimensions."