Электронный микроскоп превратили в 3D-сканер с атомарным разрешением
Американские физики применили электронную томографию атомарной структуры к аморфным моноатомным образцам, благодаря чему построили их полную 3D-модель и изучили в них ближний порядок. Ученые выяснили, что в таких телах неправильные бипирамиды оказываются более предпочтительной формой упаковки соседних атомов, нежели икосаэдры, как считалось ранее. Исследование опубликовано в Nature Materials.
Аморфные тела отличаются от кристаллов отсутствием дальнего порядка. Вместе с тем в пределах небольших объемов атомы или молекулы все же стремятся упорядочиться в правильные структуры. Так, еще в середине XX века Франк показал, что с уменьшением температуры моноатомных жидкостей икосаэдрический ближний порядок становится в них наиболее предпочтительным. Со временем, однако, стали появляться другие гипотезы о ближнем порядке.
Напрямую проверить, какая из гипотез верна, довольно сложно. Большинство современных методов, которые позволяют давать информацию о структуре вещества на атомарном масштабе, основаны на дифракции рентгеновских лучей, электронов и нейтронов и чувствительны к дальнему порядку. Вместе с тем атомы невозможно увидеть в обычный микроскоп из-за дифракционного предела, который ограничивает возможность сжать свет в область, меньше длины волны. В идеале хорошее изображение атомов можно было бы получить светом с длиной волны, меньшей размера атома на два порядка, однако такое электромагнитное излучение относится к гамма-диапазону, который невозможно использовать для визуализации.
Однако, физики нашли альтернативу электромагнитным волнам в лице волн электронной плотности. Дебройлевская длина волны электрона зависит от его импульса, следовательно, надлежащим образом разогнав электроны, мы можем сфокусировать их в пятно, меньшее по размеру, чем атом. Этот принцип реализован в просвечивающем электронном микроскопе, разрешение которого с каждым годом увеличивается.
Группа американских физиков под руководством Цзяньвэй Мяо (Jianwei Miao) из Калифорнийского университета в Лос-Анджелесе использовали просвечивающий электронный микроскоп, чтобы реализовать электронную томографию атомарной структуры тонкой танталовой пленки и двух палладиевых наночастиц и разобраться в том, какой именно порядок демонстрируют моноатомные аморфные тела. Суть томографии заключалась в съемке изображений объектов под различными углами. Исследователи прогоняли полученные изображения через многоступенчатый алгоритм, который восстанавливал координаты всех атомов по зависимости их смещений от угла съемки, убирал шум и задний фон и улучшал результат реконструкции методом градиентного спуска. На выходе авторы получали полную трехмерную модель всех атомов в заданном участке образцов.
Число восстановленных атомов составляло 8284, 52308 и 76238 для участка танталовой пленки и двух палладиевых наночастиц, соответственно. Такие большие числа не позволяли проводить структурный анализ вручную, поэтому физики применили ряд численных методов.
В первую очередь они отсеяли те атомы, что составляли зародыши кристаллизации, формирующиеся в виде небольших участков поверхности образца. Оставшиеся части образцов обладали сугубо аморфной структурой, что подтвердила построенная для них функция распределения пар, а также характерное гало на двумерном Фурье-спектре.
Следом физики исследовали ближний порядок в образцах, перебрав все возможные трехмерные фигуры, которые формируют атомы. Они характеризовали фигуры набором индексов Вороного <n3,n4,n5,n6>, где ni обозначает число граней фигуры с i ребрами. Ученые выяснили, что икосаэдры составляют менее 10 процентов всех фигур. Вместо них наиболее популярными фигурами оказались тетраэдры, объединенные в неправильные бипирамиды с основаниями в виде многоугольников.
Авторы верифицировали свой анализ с помощью вычисления локальной массовой плотности по образцу. Поскольку тетраэдр и пятиугольная пирамида — это наиболее плотная упаковка для четырех и семи атомов, политетраэдрический порядок должен коррелировать с локальной плотностью, что подтвердилось во всех моделях. Помимо этого, они исследовали искажения углов в политетраэдрах, а также количественно охарактеризовали распределенные сети, которые образуют пятиугольные бипирамиды. Измерения также сопровождались симуляциями в рамках численных методов молекулярной динамики, которые хорошо соотнеслись с экспериментальными результатами.
Просвечивающий электронный микроскоп позволяет определять не только статические, но и динамические характеристики образцов. Так, недавно мы рассказывали, как с его помощью разглядели слияние органических нанокапель и разрыв пленки сульфида молибдена.
Марат Хамадеев
Он распался на кислород <sup>24</sup>O и четыре нейтрона
Японские физики синтезировали самый тяжелый на сегодняшний день изотоп кислорода 28O с магическим числом и нейтронов, и протонов. Он оказался нестабильным, несмотря на предсказанные для него магические свойства, и моментально распадался на четыре нейтрона и кислород 24O. По мнению авторов статьи в Nature, эти результаты указывают на сложную структуру нейтронной оболочки 28O с близкими по энергии возбужденными состояниями. Стабильность изотопов физики описывают разными теоретическими моделями. В частности, некоторые из них предсказывают высокую стабильность изотопов с определенным — магическим — числом протонов и нейтронов. Для протонов магическими являются числа Z = 2, 8, 20, 50, 82, 114, 126, а для нейтронов — числа N = 2, 8, 20, 28, 50, 82, 126. В атомах с такими числами нейтронные и протонные оболочки ядра полностью заполнены, а основное и возбужденные состояния сильно отличаются по энергии — это приводит к повышенной стабильности ядра. Особенно устойчивыми являются дважды магические ядра, в которых одновременно заполнены и протонная, и нейтронная оболочки — например, самый распространенный изотоп кислорода 16O. Для кислорода также известны более тяжелые изотопы с большим количеством нейтронов. Все они, начиная с 19O и заканчивая 26O, неустойчивы. При этом, согласно теоретическим представлениям, дважды магическое ядро 28O может быть устойчивым, хотя оно и содержит очень большое количество нейтронов. Тем не менее получить этот изотоп до сих пор не получалось. Впервые синтезировать кислород 28O удалось физикам под руководством Ёсуке Кондо (Yosuke Kondo) из Института физико-химических исследований RINKA в Японии. Для этого ученые облучали вращающуюся мишень из бериллия 9Be пучком ядер кальция 48Ca. При этом получались разные легкие ядра, из которых с помощью спектрометра физики отсеяли ядра фтора 29F и направили их на мишень из жидкого водорода. При этом из фтора образовались изотопы кислорода 27O и 28O. Далее, с помощью спектрометров физики смогли детектировать продукты их быстрого распада — нейтроны и кислород 24O. Рассчитанная учеными энергия распада составила 0,5 мегаэлектронвольта для 28O и 1,09 мегаэлектронвольта для 27O. Исходя из того, что энергия распада 27O и 25O больше, чем у 28O, физики сделали вывод, что изотоп 28O разложился ступенчато — сначала образовался изотоп 26O и два нейтрона, а затем 26O превратился в 24O и еще два нейтрона. Далее, физики провели расчеты нуклонной структуры 28O на основе теории χEFT (chiral effective field theory) и метода связанных кластеров (coupled-cluster method). Расчеты показали, что нестабильность ядра 28O связана с нестандартным расположением его нейтронных оболочек, которое приводит к заселению возбужденных состояний ядра с низкой энергией (intruder states). В результате физики впервые получили изотоп кислорода 28O и провели теоретические расчеты, объясняющие его нестабильность нестандартной структурой нейтронных оболочек. Тем не менее, прямые доказательства немагичности нейтронной структуры 28O еще предстоит найти. Ранее мы рассказывали о том, как физики получили самый тяжелый изотоп кальция.