首次使用无定形固体进行3D原子成像解决了一个世纪的问题

玻璃，橡胶和塑料都属于无定形固体。尽管无定形固体在我们的日常生活中有多普遍，但长期以来一直对科学家构成挑战。自1910年代以来，科学家已经能够以3D方式绘制晶体的原子结构(另一类主要固体)，从而在物理学，化学，生物学，材料科学，地质学，纳米科学，药物发现等领域取得了无数进步。但是，由于非晶态固体没有像晶体那样以刚性，重复性的原子结构组装，因此它们无视研究人员以相同的精确度确定其原子结构的能力。

到现在为止。

由加州大学洛杉矶分校(UCLA)领导的一项研究，在《自然》杂志上报道了有史以来第一次确定无定形固体(在这种情况下，这种材料称为金属玻璃)的3D原子结构的方法。

该研究的资深作者，加州大学洛杉矶分校物理学和天文学教授缪建伟说：“我们对晶体了解很多，但地球上的大多数物质都是非晶体的，对原子结构的了解也很少。加州大学洛杉矶分校加利福尼亚纳米系统研究所的成员。

自从他成为研究生以来，观察非晶态固体的3D原子排列一直是他的梦想。经过22年的不懈追求，现在已经实现了这个梦想。

他说：“这项研究刚刚打开了一扇新门。”

金属玻璃往往比标准的结晶金属更结实，更易成型，如今，它们用于从变压器到高端高尔夫球杆以及Apple笔记本电脑和其他电子设备外壳的产品中。了解金属玻璃的原子结构可以帮助工程师设计这些材料的更好版本，以用于更广泛的应用。

研究人员使用了一种称为原子电子断层扫描的技术，这是由苗和合作者开创的3D成像技术。该方法涉及使电子束穿过样品并在另一侧收集图像。旋转样品，以便可以从多个角度进行测量，从而产生将数据缝合在一起以生成3D图像的数据。

“我们将先进的电子显微镜与强大的算法和分析技术相结合，以研究直至单个原子水平的结构，”合著者彼得·埃西乌斯(Peter Ercius)说，他是劳伦斯·伯克利国家实验室分子实验室的科学家。实验进行了。“在此级别上对非晶结构的直接了解是改变物理科学的游戏规则。”

研究人员检查了一种由八种不同金属制成的直径约8纳米的金属玻璃样品。(一个纳米等于十亿分之一米。)Miao和同事使用55个原子电子断层扫描图像，创建了构成纳米粒子的大约18,000个原子的3D图。

由于无定形固体很难表征，因此研究人员预计原子会无序排列。尽管大约有85%的原子处于无序排列状态，但研究人员仍能够识别出其中一部分原子聚结成有序的超级簇的口袋。该发现表明，即使在无定形固体中，原子的排列也不是完全随机的。

苗iao承认这项研究的局限性，在于电子显微镜本身的局限性。一些金属原子的大小是如此相似，以至于电子成像无法区分它们。为了研究的目的，研究人员将金属分为三类，将元素周期表中的邻居结合在一起：第一类为钴和镍;第二类为钴和镍。第二种是钌，铑，钯和银;第三是铱和铂。

这项研究主要由STROBE国家科学基金会科学技术中心(由Miao担任副主任)支持，部分由美国能源部支持。

美国国家科学基金会项目官员查尔斯·英(Charles Ying)说：“这一开创性结果证明了跨学科团队的力量。” “这表明需要一个中心的长期支持来解决这类复杂的研究项目。”

这项研究的共同第一作者是研究生姚阳，前助理项目科学家周继汉，前博士后研究员范，和博士后研究员Yakun Yuan，他们都是加州大学洛杉矶分校苗族研究小组的现任或前任成员。加州大学洛杉矶分校的其他合著者是研究生Dillan Chang和Arjun Rana。前博士后学者丹尼斯·金和田学增;Minh Pham的数学助理兼职教授;以及斯坦利·奥斯赫(Stanley Osher)数学教授。

其他合著者是马里兰大学学院公园的姚永刚和胡良兵。劳伦斯伯克利国家实验室的Andreas Schmid和Peter Ercius。

STROBE主任Margaret Murnane表示：“这项工作很好地说明了如何通过将具有物理学，数学，材料和影像科学许多不同背景的科学家召集在一起，并在大学和国家实验室之间建立牢固的合作伙伴关系来应对长期的挑战。中央。“这是一支出色的团队。”

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