Gli scienziati hanno utilizzato uno dei microscopi elettronici più potenti al mondo per mappare la posizione precisa e il tipo chimico di 23, 000 atomi in una particella estremamente piccola di ferro e platino.

La ricostruzione 3-D rivela la disposizione degli atomi con dettagli senza precedenti, consentendo agli scienziati di misurare l'ordine chimico e il disordine nei singoli grani, che fa luce sulle proprietà del materiale a livello di singolo atomo. Le conoscenze acquisite dalla struttura della particella potrebbero portare a nuovi modi per migliorare le sue prestazioni magnetiche per l'uso in ambienti ad alta densità, dischi rigidi di nuova generazione.

Cosa c'è di più, la tecnica utilizzata per realizzare la ricostruzione, tomografia elettronica atomica (che è come una TAC ad altissima risoluzione), pone le basi per la mappatura precisa della composizione atomica di altre nanoparticelle utili. Questo potrebbe rivelare come ottimizzare le particelle per catalizzatori più efficienti, materiali più resistenti, e tag fluorescenti che rilevano la malattia.

I dati di microscopia sono stati ottenuti e analizzati dagli scienziati del Lawrence Berkeley National Laboratory (Berkeley Lab) del Dipartimento dell'Energia presso la Molecular Foundry, in collaborazione con gli utenti Foundry di UCLA, Laboratorio nazionale di Oak Ridge, e l'Università di Birmingham del Regno Unito. La ricerca è riportata il 2 febbraio sulla rivista Natura .

Gli atomi sono i mattoni della materia, e gli schemi in cui sono disposti determinano le proprietà di un materiale. Questi modelli possono anche essere sfruttati per migliorare notevolmente la funzione di un materiale, ecco perché gli scienziati sono ansiosi di determinare la struttura 3-D delle nanoparticelle alla scala più piccola possibile.

"La nostra ricerca è un grande passo in questa direzione. Ora possiamo scattare un'istantanea che mostra le posizioni di tutti gli atomi in una nanoparticella in un punto specifico della sua crescita. Questo ci aiuterà a imparare come le nanoparticelle crescono atomo per atomo, e pone le basi per un approccio di design dei materiali a partire dai più piccoli blocchi costruttivi, "dice Mary Scott, che ha condotto la ricerca mentre era un utente Foundry, e che ora è uno scienziato del personale. Scott e gli altri scienziati della Foundry Peter Ercius e Colin Ophus hanno sviluppato il metodo in stretta collaborazione con Jianwei Miao, un professore di fisica e astronomia dell'UCLA.

La loro ricostruzione delle nanoparticelle si basa su un risultato che hanno riportato l'anno scorso in cui hanno misurato le coordinate di più di 3, 000 atomi in un ago di tungsteno con una precisione di 19 trilionesimi di metro (19 picometri), che è molte volte più piccolo di un atomo di idrogeno. Ora, hanno preso la stessa precisione, aggiunta la capacità di distinguere diversi elementi, e ha ampliato la ricostruzione per includere decine di migliaia di atomi.

È importante sottolineare che il loro metodo mappa la posizione di ciascun atomo in un singolo, nanoparticella unica. In contrasto, La cristallografia a raggi X e la microscopia crioelettronica tracciano la posizione media degli atomi da molti campioni identici. Questi metodi fanno ipotesi sulla disposizione degli atomi, che non è una buona misura per le nanoparticelle perché non ce ne sono due uguali.

"Dobbiamo determinare la posizione e il tipo di ciascun atomo per capire veramente come funziona una nanoparticella su scala atomica, "dice Ercio.

Un approccio di SQUADRA

L'ultimo risultato degli scienziati è imperniato sull'uso di uno dei microscopi elettronici a trasmissione a più alta risoluzione al mondo, chiamato TEAM I. Si trova presso il National Center for Electron Microscopy, che è una struttura di fonderia molecolare. Il microscopio scansiona un campione con un fascio di elettroni focalizzato, e poi misura come gli elettroni interagiscono con gli atomi nel campione. Dispone inoltre di uno stadio piezo-controllato che posiziona i campioni con una stabilità senza pari e un'accuratezza del controllo della posizione.

I ricercatori hanno iniziato a coltivare una nanoparticella di ferro-platino dai suoi elementi costitutivi, e poi fermò la crescita della particella prima che fosse completamente formata. Hanno posizionato la particella "parzialmente cotta" nella fase TEAM I, ottenuto una proiezione 2-D della sua struttura atomica, ruotato di qualche grado, ottenuto un'altra proiezione, e così via. Ogni proiezione 2-D fornisce qualche informazione in più sulla struttura 3-D completa della nanoparticella.

Hanno inviato le proiezioni a Miao all'UCLA, che ha utilizzato un sofisticato algoritmo informatico per convertire le proiezioni 2-D in una ricostruzione 3-D della particella. Le singole coordinate atomiche e i tipi chimici sono stati quindi tracciati dalla densità 3D in base alla conoscenza che gli atomi di ferro sono più leggeri degli atomi di platino. La struttura atomica risultante contiene 6, 569 atomi di ferro e 16, 627 atomi di platino, con le coordinate di ciascun atomo tracciate con precisione a meno della larghezza di un atomo di idrogeno.

Tradurre i dati in approfondimenti scientifici

Caratteristiche interessanti sono emerse su questa scala estrema dopo che gli scienziati della Molecular Foundry hanno utilizzato il codice sviluppato per analizzare la struttura atomica. Per esempio, l'analisi ha rivelato l'ordine chimico e il disordine nei grani ad incastro, in cui gli atomi di ferro e platino sono disposti secondo schemi differenti. Ciò ha grandi implicazioni sul modo in cui la particella è cresciuta e sulle sue proprietà magnetiche nel mondo reale. L'analisi ha anche rivelato difetti di un singolo atomo e l'ampiezza dei confini disordinati tra i grani, che in precedenza non era possibile in complessi confini 3D.

"L'importante problema della scienza dei materiali che stiamo affrontando è come questo materiale si trasforma da una struttura altamente randomizzata, quella che chiamiamo una struttura chimicamente disordinata, in una struttura regolare altamente ordinata con le proprietà magnetiche desiderate, "dice Ofus.

Per esplorare come le varie disposizioni degli atomi influenzino le proprietà magnetiche delle nanoparticelle, gli scienziati dell'Oak Ridge National Laboratory del DOE hanno eseguito calcoli al computer sul supercomputer Titan dell'ORNL, utilizzando le coordinate e il tipo chimico di ciascun atomo, per simulare il comportamento della nanoparticella in un campo magnetico. Ciò ha permesso agli scienziati di vedere modelli di atomi che sono molto magnetici, che è l'ideale per i dischi rigidi. Hanno anche visto modelli con scarse proprietà magnetiche che potrebbero indebolire le prestazioni di un disco rigido.

"Questo potrebbe aiutare gli scienziati a imparare come guidare la crescita delle nanoparticelle di ferro-platino in modo che sviluppino modelli di atomi più altamente magnetici, "dice Ercio.

Aggiunge Scott, "Più in generale, la tecnica di imaging farà luce sulla nucleazione e sulla crescita delle fasi ordinate all'interno delle nanoparticelle, che non è completamente compreso dal punto di vista teorico, ma è di fondamentale importanza per diverse discipline e tecnologie scientifiche".