un. Struttura atomica complessiva di una nanoparticella di Pt determinata in questo studio, con substrato SiN rappresentato come dischi neri e grigi. B. Struttura sfaccettata identificata della nanoparticella di Pt, mostrando tutte le sfaccettature. C, D. Iso-superfici di densità 3D ricostruita dalla tomografia elettronica, prima (c) e dopo (d) l'aumento basato sull'apprendimento profondo, rispettivamente. e, F. Intensità del volume della ricostruzione tomografica e posizioni degli atomi tracciati. Ogni fetta rappresenta uno strato atomico, e i punti blu indicano le posizioni atomiche 3D tracciate prima (e) e dopo (f) l'aumento basato sull'apprendimento profondo. Gli sfondi in scala di grigi sono isosuperfici di densità 3D. Attestazione:KAIST
Gli atomi sono gli elementi costitutivi di base per tutti i materiali. Per personalizzare le proprietà funzionali, è essenziale determinare con precisione le loro strutture atomiche. I ricercatori KAIST hanno osservato la struttura atomica 3D di una nanoparticella a livello di atomo tramite la tomografia elettronica atomica assistita da rete neurale.
Utilizzando una nanoparticella di platino come sistema modello, un team di ricerca guidato dal professor Yongsoo Yang ha dimostrato che un approccio di deep learning basato sull'atomicità può identificare in modo affidabile la struttura atomica della superficie 3D con una precisione di 15 picometri (solo circa 1/3 del raggio di un atomo di idrogeno). Lo spostamento atomico, sforzo, e l'analisi delle sfaccettature ha rivelato che la struttura atomica della superficie e la deformazione sono correlate sia alla forma della nanoparticella che all'interfaccia particella-substrato. Questa ricerca è stata riportata in Comunicazioni sulla natura .
In combinazione con calcoli di meccanica quantistica come la teoria del funzionale della densità, la capacità di identificare con precisione la struttura atomica della superficie servirà come chiave potente per comprendere le prestazioni catalitiche e l'effetto di ossidazione.
"Abbiamo risolto il problema della determinazione della struttura atomica superficiale 3D dei nanomateriali in modo affidabile. È stato difficile misurare con precisione le strutture atomiche superficiali a causa del "problema del cuneo mancante" nella tomografia elettronica, che nasce da limitazioni geometriche, consentendo di misurare solo una parte di un intervallo angolare tomografico completo. Abbiamo risolto il problema utilizzando un approccio basato sul deep learning, " ha spiegato il professor Yang.
Il problema del cuneo mancante si traduce in artefatti di allungamento e squillo, influenzando negativamente l'accuratezza della struttura atomica determinata dal tomogramma, soprattutto per identificare le strutture superficiali. Il problema del cuneo mancante è stato il principale ostacolo per la determinazione precisa delle strutture atomiche superficiali 3D dei nanomateriali.
Il team ha utilizzato la tomografia elettronica atomica (AET), che è fondamentalmente una scansione TC ad altissima risoluzione per nanomateriali che utilizza microscopi elettronici a trasmissione. L'AET consente la determinazione strutturale atomica 3D a livello di singolo atomo.
"L'idea principale alla base di questo approccio basato sull'apprendimento profondo è l'atomicità, il fatto che tutta la materia è composta da atomi. Ciò significa che il vero tomogramma elettronico a risoluzione atomica dovrebbe contenere solo potenziali atomici 3D nitidi convoluti con il profilo del fascio di elettroni, ", ha detto il professor Yang.
"Una rete neurale profonda può essere addestrata utilizzando tomogrammi simulati che soffrono di cunei mancanti come input, e i volumi atomici 3D della verità al suolo come obiettivi. La rete di deep learning addestrata aumenta efficacemente i tomogrammi imperfetti e rimuove gli artefatti derivanti dal problema del cuneo mancante".
La precisione della struttura atomica 3D può essere migliorata di quasi il 70% applicando l'aumento basato sull'apprendimento profondo. Anche l'accuratezza dell'identificazione dell'atomo di superficie è stata notevolmente migliorata.
Relazioni struttura-proprietà di nanomateriali funzionali, soprattutto quelli che dipendono fortemente dalle strutture superficiali, come le proprietà catalitiche per le applicazioni con celle a combustibile, può ora essere rivelato a una delle scale più fondamentali:la scala atomica.
Il professor Yang ha concluso, "Vorremmo mappare completamente la struttura atomica 3D con una maggiore precisione e una migliore specificità elementare. E non limitandoci alle strutture atomiche, miriamo a misurare il fisico, chimico, e proprietà funzionali dei nanomateriali su scala atomica 3D avanzando ulteriormente le tecniche di tomografia elettronica."
