物理学家在4D捕捉原子运动

2022-02-23 / 作者:猫咪资讯 / 来源:网络整理 / 阅读:576 /
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一种称为成核的过程在许多物理和生物现象中起着至关重要的作用,从结晶、熔化和蒸发到云的形成和神经退行性疾病的开始。然而,成核是一个需要实验研究的挑战性过程,尤其是在其早期阶段,当几个原子或分子开始从母相形成新相时。现在,由加州大学洛杉矶分校领导的一个物理学家团队使用了一种称为原子电......

一种称为成核的过程在许多物理和生物现象中起着至关重要的作用,从结晶、熔化和蒸发到云的形成和神经退行性疾病的开始。然而,成核是一个需要实验研究的挑战性过程,尤其是在其早期阶段,当几个原子或分子开始从母相形成新相时。现在,由加州大学洛杉矶分校领导的一个物理学家团队使用了一种称为原子电子断层扫描的方法,以原子分辨率研究了四维(即空间和时间的三维)中的早期成核。

This image shows 4D atomic motion is captured in an iron-platinum nanoparticle at three different annealing times. Image credit: Alexander Tokarev.

这张图片显示了铁-铂纳米粒子在三个不同的退火时间捕获的4D原子运动。形象功劳:亚历山大·托卡列夫。

“这确实是一个开创性的实验& # 8212;我们不仅高精度地定位和识别单个原子,还首次在4D监测到它们的运动,”加州大学洛杉矶分校教授建伟‘约翰’苗说。

苗教授和他的同事们研究了一种铁铂合金,这种合金形成的纳米颗粒非常小,以至于需要10000多个并排放置的纳米颗粒才能跨越一根头发的宽度。

为了研究成核,他们将纳米粒子加热到968华氏度(520摄氏度),并在9分钟、16分钟和26分钟后拍摄图像。

在该温度下,合金经历两种不同固相之间的转变。

虽然这种合金在两个阶段肉眼看起来都是一样的,但仔细观察就会发现3D原子排列彼此不同。

加热后,结构从混乱的化学状态变成更有序的状态,铁和铂原子交替出现。

该团队追踪了同样的33个细胞核& # 8212;有些小至13个原子& # 8212;在一个纳米颗粒内。

结果令人惊讶,因为它们与经典的成核理论相矛盾。那个理论认为原子核是完全圆的。相比之下,在这项研究中,细胞核形成了不规则的形状。

该理论还认为原子核有一个尖锐的边界。相反,物理学家观察到,每个原子核都包含一个原子核心,这些核心已经变成了新的有序相,但是这种排列越来越混乱,越来越接近原子核的表面。

经典成核理论还指出,一旦原子核达到特定的大小,它只会从那里变大。但这个过程似乎远比这复杂。除了生长,研究中的细胞核还收缩、分裂和合并;有些完全溶解了。

“成核基本上是许多领域尚未解决的问题。一旦你能想象到一些东西,你就可以开始思考如何控制它,”伯克利劳伦斯伯克利国家实验室的工作人员科学家彼得·埃丘斯博士说。

发表在《自然》杂志上的这些发现提供了直接证据,证明经典成核理论不能准确描述原子层面的现象。

关于成核的发现可能会影响广泛领域的研究,包括物理、化学、材料科学、环境科学和神经科学。

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周等. 2019。用原子电子断层扫描在四维空间观察晶体成核。自然570:500-503;doi:10.1038/s 14586-019-1317-x


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