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