Många ämnen omkring oss, från bordssalt och socker till de flesta metaller, är ordnade i kristaller. Eftersom deras molekyler är ordnade, repetitivt mönster, mycket är förstått om deras struktur.

Dock, ett mycket större antal ämnen – inklusive gummi, glas och de flesta vätskor – saknar den grundläggande ordningen genomgående, vilket gör det svårt att bestämma deras molekylära struktur. Hittills, förståelsen av dessa amorfa ämnen har nästan helt baserats på teoretiska modeller och indirekta experiment.

En UCLA-ledd forskargrupp håller på att ändra på det. Med hjälp av en metod som de utvecklade för att kartlägga atomstruktur i tre dimensioner, forskarna har direkt observerat hur atomer packas i prover av amorfa material. Resultaten, publiceras idag i Naturmaterial , kan tvinga fram en omskrivning av den konventionella modellen och informera utformningen av framtida material och enheter som använder dessa ämnen.

"Vi tror att denna studie kommer att ha en mycket viktig inverkan på den framtida förståelsen av amorfa fasta ämnen och vätskor - som är bland de mest förekommande ämnena på jorden, " sa studiens seniorförfattare, Jianwei "John" Miao, en UCLA-professor i fysik och astronomi och medlem av California NanoSystems Institute vid UCLA. "Att förstå de grundläggande strukturerna kan leda till dramatiska framsteg inom teknik."

Från 1952 med arbete av den brittiske fysikern Frederick Charles Frank, den rådande vetenskapliga förståelsen har varit att atomer och molekyler i en flytande eller amorf fast substans i allmänhet passar ihop i grupper om 13. Modellen hävdar att de är konfigurerade med en central atom eller molekyl omgiven av de andra 12—två ringar av fem runt den centrala partikel, med en annan som täcker toppen och en som täcker botten.

För att modellera hur klumpar av atomer eller molekyler kan passa ihop i större skala, forskare föreställer denna grupp av 13 som en 3D-form genom att behandla varje yttre partikel som ett hörn och koppla ihop prickarna, vilket resulterar i en solid med 20 triangulära ytor, kallas en ikosaeder, en form som är bekant för alla Dungeons &Dragons-spelare i form av en 20-sidig tärning.

Miao och hans kollegor hittade något annat, fastän.

Teamet analyserade tre amorfa metallföremål med hjälp av atomelektrontomografi. Denna kraftfulla avbildningsmetod strålar elektroner mot ett prov och mäter elektronerna när de passerar genom, fånga data flera gånger när provet roteras så att datoralgoritmer kan konstruera en 3D-bild.

Forskarna upptäckte att endast en mycket liten del av atomerna bildade icosaedriska grupper om 13. Snarare, det vanligaste arrangemanget var grupper om sju, med fem i ett centralt lager, en på toppen, en på botten och ingen central atom – en form som forskarna beskriver som en femkantig bipyramid, med 10 triangulära ytor. De observerade också att dessa femkantiga bipyramider bildades till nätverk där kanterna ofta delades.

"Sedan Franks tidning, det vetenskapliga samfundet har trott att icosahedrisk ordning är det viktigaste strukturella motivet i vätskor eller amorfa fasta ämnen, " sa Miao. "Men än så länge, ingen annan har kunnat kartlägga alla atomernas position och kontrollera. Vi fann att den femkantiga bipyramiden är det vanligaste motivet. Naturen verkar föredra att kombinera i sjuor."

Övervikten av den kombinationen var konsekvent i de prover som studerats av forskarna, WHO, för enkelhetens skull, utvalda material som existerar som enskilda atomer i sin fundamentala skala. Materialen som undersöktes var en tunn film gjord av tantal, som är en sällsynt metall som används för elektroniska komponenter, och två nanopartiklar gjorda av palladium, en metall som är viktig för katalytiska omvandlare som gör bilavgaserna mindre giftiga.

Teamet använde också sina experimentella data som grund för en datorsimulering av vad som händer när tantal smälts och sedan snabbt kyls så att kristaller inte bildas, resulterar i vad som kallas ett metalliskt glas. I simuleringen, tantalatomerna packas på liknande sätt i nätverk av pentagonala bipyramider oftare än någon annan form, både som vätska och glas.

Dessa fynd kan föranleda en omprövning av vissa aspekter av vetenskapens fysiska modell för världen omkring oss. Och eftersom amorfa material är integrerade i vissa halvledare och många enheter, inklusive solpaneler, denna forskning kan vara ett tidigt steg för att ersätta trial and error med målmedveten design där dessa material är inblandade.

"Detta jobb, tillsammans med vårt senaste Nature-dokument om icke-kristallina material, kan vara jämförbar i inflytande med första gången som vetenskapen avslöjade 3D-atomstrukturen hos saltkristaller för över ett sekel sedan, " sa Miao.