Le transizioni quotidiane da uno stato della materia a un altro, come il congelamento, fusione o evaporazione:inizia con un processo chiamato "nucleazione, " in cui piccoli gruppi di atomi o molecole (chiamati "nuclei") iniziano a fondersi. La nucleazione svolge un ruolo fondamentale in circostanze diverse come la formazione di nuvole e l'insorgenza di malattie neurodegenerative.

Un team guidato dall'UCLA ha ottenuto una visione mai vista prima della nucleazione, catturando il modo in cui gli atomi si riorganizzano a una risoluzione atomica 4-D (cioè, nelle tre dimensioni dello spazio e nel tempo). Le scoperte, pubblicato sulla rivista Natura , differiscono dalle previsioni basate sulla teoria classica della nucleazione che è apparsa a lungo nei libri di testo.

"Questo è davvero un esperimento rivoluzionario:non solo individuiamo e identifichiamo singoli atomi con alta precisione, ma anche monitorare il loro movimento in 4-D per la prima volta, " ha detto l'autore senior Jianwei "John" Miao, un professore di fisica e astronomia dell'UCLA, che è il vicedirettore dello STROBE National Science Foundation Science and Technology Center e membro del California NanoSystems Institute presso l'UCLA.

Ricerca del team, che include collaboratori del Lawrence Berkeley National Laboratory, Università del Colorado a Boulder, Università di Buffalo e Università del Nevada, Reno, si basa su una potente tecnica di imaging precedentemente sviluppata dal gruppo di ricerca di Miao. Quel metodo, chiamata "tomografia elettronica atomica, " utilizza un microscopio elettronico all'avanguardia situato presso la fonderia molecolare del Berkeley Lab, quale immagine di un campione utilizzando gli elettroni. Il campione viene ruotato, e più o meno allo stesso modo una TAC genera una radiografia tridimensionale del corpo umano, La tomografia elettronica atomica crea straordinarie immagini 3D degli atomi all'interno di un materiale.

Miao e i suoi colleghi hanno esaminato una lega ferro-platino formata in nanoparticelle così piccole che ne servono più di 10, 000 posati uno accanto all'altro per coprire la larghezza di un capello umano. Per indagare sulla nucleazione, gli scienziati hanno riscaldato le nanoparticelle a 520 gradi Celsius, o 968 gradi Fahrenheit, e ha scattato le immagini dopo 9 minuti, 16 minuti e 26 minuti. A quella temperatura, la lega subisce una transizione tra due diverse fasi solide.

Sebbene la lega sembri la stessa ad occhio nudo in entrambe le fasi, un'analisi più attenta mostra che le disposizioni atomiche 3D sono diverse l'una dall'altra. Dopo il riscaldamento, la struttura cambia da uno stato chimico confuso a uno più ordinato, con strati alternati di atomi di ferro e platino. Il cambiamento nella lega può essere paragonato alla risoluzione di un cubo di Rubik:la fase confusa ha tutti i colori mescolati casualmente, mentre la fase ordinata ha tutti i colori allineati.

In un processo scrupoloso guidato dai co-primi autori e dagli studiosi post-dottorato dell'UCLA Jihan Zhou e Yongsoo Yang, il team ha tracciato gli stessi 33 nuclei, alcuni piccoli come 13 atomi, all'interno di una nanoparticella.

"La gente pensa che sia difficile trovare un ago in un pagliaio, "Miao ha detto. "Quanto sarebbe difficile trovare lo stesso atomo in più di un trilione di atomi in tre momenti diversi?"

I risultati sono stati sorprendenti, in quanto contraddicono la teoria classica della nucleazione. Questa teoria sostiene che i nuclei sono perfettamente rotondi. Nello studio, al contrario, nuclei formano forme irregolari. La teoria suggerisce anche che i nuclei hanno un confine netto. Anziché, i ricercatori hanno osservato che ogni nucleo conteneva un nucleo di atomi che erano cambiati nel nuovo, fase ordinata, ma che la disposizione diventava sempre più confusa vicino alla superficie del nucleo.

La teoria della nucleazione classica afferma anche che una volta che un nucleo raggiunge una dimensione specifica, diventa solo più grande da lì. Ma il processo sembra essere molto più complicato di così:oltre a crescere, nuclei nello studio ridotto, diviso e fuso; alcuni si sono completamente dissolti.

"La nucleazione è fondamentalmente un problema irrisolto in molti campi, " ha detto il co-autore Peter Ercio, uno scienziato del personale presso la Fonderia Molecolare, una struttura di nanoscienza che offre agli utenti strumentazione e competenze all'avanguardia per la ricerca collaborativa. "Una volta che puoi immaginare qualcosa, puoi iniziare a pensare a come controllarlo."

I risultati offrono prove dirette che la teoria della nucleazione classica non descrive accuratamente i fenomeni a livello atomico. Le scoperte sulla nucleazione possono influenzare la ricerca in un'ampia gamma di aree, compresa la fisica, chimica, scienza dei materiali, scienze ambientali e neuroscienze.

"Catturando il movimento atomico nel tempo, questo studio apre nuove strade per lo studio di un'ampia gamma di materiali, fenomeni chimici e biologici, ", ha affermato Charles Ying, responsabile del programma della National Science Foundation, che sovrintende al finanziamento del centro STROBE. "Questo risultato trasformativo ha richiesto progressi rivoluzionari nella sperimentazione, analisi e modellazione dei dati, un risultato che ha richiesto l'ampia competenza dei ricercatori del centro e dei loro collaboratori."