(a) Un'immagine HAADF di una nanoparticella d'oro a forma di bastoncino. I punti luminosi corrispondono ai singoli atomi. (b) Spostamenti atomici grezzi calcolati con un metodo convenzionale. Spostamenti maggiori in entrambe le direzioni sono mostrati in blu più scuro e giallo più chiaro. Il rumore nella misurazione si può apprezzare nella granularità dell'immagine. (c) I veri spostamenti previsti dal GPR. Il componente del rumore è stato rimosso con successo. (d) Mappa di deformazione locale nel nanorod. Entrambe le estremità del cappuccio mostrano aree giallo brillante, indicando la tensione lungo l'asse lungo. (e) Confronto con il metodo convenzionale. Utilizzando GPR, il ceppo locale rilevabile minimo è stato migliorato dall'1,1% allo 0,2%. Credito:Kohei Aso di JAIST.
Qualche volta, proprietà di un materiale, come il magnetismo e la catalisi, può cambiare drasticamente a causa di nient'altro che piccoli cambiamenti nella separazione tra i suoi atomi, comunemente indicati come "ceppi locali" nel gergo della scienza dei materiali. Una misurazione precisa di tali ceppi locali è, perciò, importante per gli scienziati dei materiali.
Una potente tecnica impiegata a questo scopo è "l'immagine in campo scuro anulare ad alto angolo" (HAADF), un approccio all'interno della microscopia elettronica a trasmissione a scansione che produce immagini con punti luminosi che teoricamente coincidono con le posizioni atomiche. Però, in pratica, Le immagini HAADF sono spesso distorte a causa di disturbi meccanici ed elettrici nell'apparato, limitando i più piccoli ceppi locali misurabili a poco più dell'1%.
Ora, un team di scienziati guidato dall'assistente professore Kohei Aso del Japan Advanced Institute of Science and Technology (JAIST), Giappone, hanno sfruttato un metodo dal campo della scienza dei dati per misurare la distribuzione della deformazione nei materiali in modo più accurato, migliorare la precisione dell'imaging HAADF. Questo studio, pubblicato in ACS Nano , è stato realizzato in collaborazione con il Professore JAIST Yoshifumi Oshima, poi studente laureato Jens Maebe, borsista post-dottorato Xuan Quy Tran, Professore assistente Tomokazu Yamamoto, e il professor Syo Matsumura dell'Università di Kyushu, Giappone.
Il team ha combinato l'imaging HAADF con la regressione del processo gaussiano (GPR), una tecnica di elaborazione dei dati comunemente usata nell'apprendimento automatico e in campi come l'economia e la geologia. In un processo gaussiano, il vero stato dei dati (in questo caso, posizioni atomiche o spostamento) si assume che sia rappresentato da una funzione regolare, e il rumore casuale viene aggiunto a questo "stato reale" quando vengono osservati i dati. Invertendo questo processo tramite GPR, si può stimare più accuratamente le vere posizioni degli atomi, e quindi calcolare le deformazioni locali con maggiore precisione. Nello specifico, il metodo proposto ha consentito al team di misurare la deformazione con una precisione dello 0,2%.
Il team ha dimostrato il potenziale del loro approccio misurando i ceppi locali nelle nanostrutture d'oro e confrontando i ceppi di trazione in una nanosfera d'oro con quelli in nanotubi d'oro (essenzialmente cilindri con calotte emisferiche) di diverse lunghezze. Questi confronti hanno rivelato che le distribuzioni dei ceppi nelle nanoparticelle d'oro variavano a seconda della loro forma, con nanobarre che mostrano una deformazione a trazione di circa lo 0,5% vicino alla regione in cui la curvatura cambia bruscamente. Il Dr. Aso spiega che "è noto che le nanoparticelle d'oro sferiche sono soggette a stress uniforme su tutta la loro superficie, e questa sollecitazione è proporzionale alla tensione superficiale. Così, la deformazione di compressione uniforme si verifica nella direzione perpendicolare alla superficie. In contrasto, in nanotubi d'oro, lo sforzo applicato alla superficie diventa non uniforme, e gli scienziati hanno teorizzato che in determinati punti si dovrebbe verificare la tensione di trazione. Però, questo non era stato dimostrato sperimentalmente, fino ad ora."
Con questi riscontri, il team è entusiasta delle prospettive future della loro strategia di misurazione della deformazione. "La nostra tecnica fornirà informazioni dettagliate sul mondo atomico, che è necessario per lo sviluppo di materiali e dispositivi innovativi sia ad alte prestazioni che di piccole dimensioni. Ciò potrebbe essere utile per lo sviluppo di dispositivi e sensori che utilizzano materiali e strutture su scala nanometrica. Inoltre, il metodo non richiede modifiche costose o procedure complicate e può essere facilmente adottato, "dice il dottor Aso.
