Forskare använde ett av världens mest kraftfulla elektronmikroskop för att kartlägga den exakta platsen och den kemiska typen av 23, 000 atomer i en extremt liten partikel gjord av järn och platina.

3D-rekonstruktionen avslöjar arrangemanget av atomer i oöverträffad detalj, gör det möjligt för forskarna att mäta kemisk ordning och oordning i enskilda korn, som belyser materialets egenskaper på enatomsnivå. Insikter från partikelns struktur kan leda till nya sätt att förbättra dess magnetiska prestanda för användning i hög densitet, nästa generations hårddiskar.

Vad mer, tekniken som används för att skapa rekonstruktionen, atomelektrontomografi (vilket är som en CT-skanning med otroligt hög upplösning), lägger grunden för att exakt kartlägga atomsammansättningen av andra användbara nanopartiklar. Detta kan avslöja hur man optimerar partiklarna för effektivare katalysatorer, starkare material, och sjukdomsupptäckande fluorescerande taggar.

Mikroskopidata erhölls och analyserades av forskare från Department of Energy's Lawrence Berkeley National Laboratory (Berkeley Lab) vid Molecular Foundry, i samarbete med Foundry-användare från UCLA, Oak Ridge National Laboratory, och Storbritanniens University of Birmingham. Forskningen rapporteras 2 februari i tidskriften Natur .

Atomer är materiens byggstenar, och mönstren i vilka de är arrangerade dikterar ett material egenskaper. Dessa mönster kan också utnyttjas för att avsevärt förbättra ett materials funktion, vilket är anledningen till att forskare är ivriga att bestämma 3D-strukturen hos nanopartiklar i minsta möjliga skala.

"Vår forskning är ett stort steg i den här riktningen. Vi kan nu ta en ögonblicksbild som visar positionerna för alla atomer i en nanopartikel vid en specifik punkt i dess tillväxt. Detta kommer att hjälpa oss att lära oss hur nanopartiklar växer atom för atom, och det sätter scenen för en materialdesignstrategi som börjar från de minsta byggstenarna, " säger Mary Scott, som utförde forskningen medan hon var en Foundry-användare, och som nu är stabsforskare. Scott och andra gjuteriforskare Peter Ercius och Colin Ophus utvecklade metoden i nära samarbete med Jianwei Miao, en UCLA-professor i fysik och astronomi.

Deras rekonstruktion av nanopartiklar bygger på en prestation de rapporterade förra året där de mätte koordinaterna för mer än 3, 000 atomer i en volframnål med en precision av 19 biljondelar av en meter (19 picometers), som är många gånger mindre än en väteatom. Nu, de har tagit samma precision, lagt till förmågan att särskilja olika element, och skalade upp rekonstruktionen till att omfatta tiotusentals atomer.

Viktigt, deras metod kartlägger positionen för varje atom i en enda, unik nanopartikel. I kontrast, Röntgenkristallografi och kryo-elektronmikroskopi plottar den genomsnittliga positionen för atomer från många identiska prover. Dessa metoder gör antaganden om arrangemanget av atomer, vilket inte passar bra för nanopartiklar eftersom ingen är den andra lik.

"Vi måste bestämma platsen och typen av varje atom för att verkligen förstå hur en nanopartikel fungerar i atomär skala, säger Ercius.

Ett TEAM-förhållningssätt

Forskarnas senaste prestation hängde på användningen av ett av världens högst upplösta transmissionselektronmikroskop, kallas TEAM I. Det finns vid National Center for Electron Microscopy, som är en Molecular Foundry-anläggning. Mikroskopet skannar ett prov med en fokuserad elektronstråle, och mäter sedan hur elektronerna interagerar med atomerna i provet. Den har också ett piezokontrollerat steg som positionerar prover med oöverträffad stabilitet och positionskontrollnoggrannhet.

Forskarna började odla en järn-platina nanopartikel från dess beståndsdelar, och stoppade sedan partikelns tillväxt innan den var helt bildad. De placerade den "delvis bakade" partikeln i TEAM I-steget, fick en 2D-projektion av dess atomstruktur, vridit den några grader, fick en annan projektion, och så vidare. Varje 2D-projektion ger lite mer information om nanopartikelns fullständiga 3D-struktur.

De skickade prognoserna till Miao vid UCLA, som använde en sofistikerad datoralgoritm för att omvandla 2D-projektionerna till en 3D-rekonstruktion av partikeln. De individuella atomkoordinaterna och kemiska typerna spårades sedan från 3D-densiteten baserat på kunskapen att järnatomer är lättare än platinaatomer. Den resulterande atomstrukturen innehåller 6, 569 järnatomer och 16, 627 platinaatomer, med varje atoms koordinater exakt plottade till mindre än bredden av en väteatom.

Att översätta data till vetenskapliga insikter

Intressanta egenskaper dök upp i denna extrema skala efter att forskare från Molecular Foundry använde kod som de utvecklade för att analysera atomstrukturen. Till exempel, analysen avslöjade kemisk ordning och oordning i sammankopplade korn, där järn- och platinaatomerna är ordnade i olika mönster. Detta har stora konsekvenser för hur partikeln växte och dess verkliga magnetiska egenskaper. Analysen avslöjade också enatomsdefekter och bredden på oordnade gränser mellan korn, vilket tidigare inte var möjligt i komplexa 3D-gränser.

"Det viktiga materialvetenskapliga problemet vi tar itu med är hur detta material förvandlas från en mycket randomiserad struktur, vad vi kallar en kemiskt störd struktur, till en vanlig högordnad struktur med de önskade magnetiska egenskaperna, säger Ophus.

För att utforska hur de olika arrangemangen av atomer påverkar nanopartikelns magnetiska egenskaper, forskare från DOE:s Oak Ridge National Laboratory körde datorberäkningar på Titan-superdatorn vid ORNL – med hjälp av koordinaterna och kemisk typ av varje atom – för att simulera nanopartikelns beteende i ett magnetfält. Detta gjorde det möjligt för forskarna att se mönster av atomer som är mycket magnetiska, vilket är idealiskt för hårddiskar. De såg också mönster med dåliga magnetiska egenskaper som kunde försämra en hårddisks prestanda.

"Detta kan hjälpa forskare att lära sig hur man styr tillväxten av järn-platina nanopartiklar så att de utvecklar mer högmagnetiska mönster av atomer, säger Ercius.

Lägger till Scott, "Bara allmänt, avbildningstekniken kommer att belysa kärnbildningen och tillväxten av ordnade faser inom nanopartiklar, som inte är helt teoretiskt förstådd men är avgörande för flera vetenskapliga discipliner och teknologier."