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

Нашли опечатку? Выделите фрагмент и нажмите Ctrl+Enter.
Симпатическое охлаждение левитирующих частиц оказалось чувствительно к давлению

Европейские физики проверили, как работает симпатическое охлаждение при взаимодействии двух оптически левитирующих микрочастиц. Оказалось, что его эффективность сильно зависит от давления окружающего воздуха. Таким способом удалось добиться субкельвиновой температуры. Исследование опубликовано в Optica.