Физики фиксируют движение атомов в 4D
Ученые исследовали железо-платиновый сплав, сформированный в наночастицы
Процесс, называемый нуклеацией (зародышеобразование), играет критическую роль во многих физических и биологических явлениях, которые варьируются от кристаллизации, таяния и испарения до образования облаков и инициирования нейродегенеративных заболеваний.
Однако нуклеация является сложным процессом для экспериментального изучения, особенно на ранних стадиях, когда несколько атомов или молекул начинают образовывать новую фазу из родительской фазы. Теперь команда физиков во главе с учеными Калифорнийского университета использовала метод, называемый атомно-электронной томографией, для изучения ранней стадии зарождения в четырех измерениях (то есть в трех измерениях пространства и во времени) с атомным разрешением.
«Это поистине новаторский эксперимент — мы не только обнаруживаем и идентифицируем отдельные атомы с высокой точностью, но и впервые отслеживаем их движение в 4D», — сказал профессор Калифорнийского университета в Лос-Анджелесе Джанвэй Миао.
Ученые исследовали железо-платиновый сплав, сформированный в наночастицы, настолько малые, что для укладки ширины человеческого волоса требуется более 10 000 слоев, лежащих рядом.
Чтобы исследовать нуклеацию, они нагревали наночастицы до 520 градусов по Цельсию и делали снимки через 9, 16 и 26 минут. При этой температуре сплав претерпевает переход между двумя различными твердыми фазами.
Хотя сплав выглядит одинаково невооруженным глазом в обеих фазах, более тщательное изучение показывает, что трехмерные атомные схемы отличаются друг от друга. После нагревания структура меняется от перемешанного химического состояния к более упорядоченному с чередующимися слоями атомов железа и платины.
Команда ученых отслеживала 33 ядра-зародыша, некоторые из которых составляли всего 13 атомов, в одной наночастице.
Результаты оказались удивительными, так как они противоречат классической теории нуклеации. Эта теория утверждает, что ядра-зародыши идеально круглые. В исследовании, напротив, ядра образовались неправильной формы.
Теория также предполагает, что ядра имеют резкую границу. Вместо этого физики заметили, что каждое ядро-зародыш содержит ядро атомов, которые изменились на новую, упорядоченную фазу, но расположение становится все более и более беспорядочным ближе к поверхности ядра.
Классическая теория нуклеации также утверждает, что как только ядро достигает определенного размера, оно только увеличивается. Но процесс кажется гораздо более сложным. В дополнение к росту ядра в исследовании сократились, разделились и слились; некоторые полностью растворились.
Результаты, опубликованные в журнале Nature, дают прямые доказательства того, что классическая теория нуклеации не точно описывает явления на атомном уровне. Открытия в области нуклеации могут повлиять на исследования в широком диапазоне областей, включая физику, химию, материаловедение, науку об окружающей среде и нейробиологию.