Glas, gummi och plast tillhör alla en klass av ämnen som kallas amorfa fasta ämnen. Och trots hur vanliga de är i våra vardagliga liv, amorfa fasta ämnen har länge utgjort en utmaning för forskare.

Sedan 1910-talet, forskare har kunnat kartlägga kristallernas atomära strukturer i 3D, den andra stora klassen av fasta ämnen, som har lett till otaliga framsteg inom fysiken, kemi, biologi, materialvetenskap, geologi, nanovetenskap, drogupptäckt och mer. Men eftersom amorfa fasta ämnen inte är sammansatta i styva, repetitiva atomstrukturer som kristaller är, de har trotsat forskarnas förmåga att bestämma sin atomstruktur med samma precisionsnivå.

Tills nu, det är.

En UCLA-ledd studie i tidskriften Natur rapporterar om den första bestämningen någonsin av 3D-atomstrukturen för ett amorft fast ämne - i det här fallet, ett material som kallas metalliskt glas.

"Vi vet så mycket om kristaller, ändå är det mesta av materien på jorden icke-kristallin och vi vet så lite om deras atomstruktur, " sade studiens seniorförfattare, Jianwei "John" Miao, en UCLA-professor i fysik och astronomi och medlem av California NanoSystems Institute vid UCLA.

Att observera 3D-atomarrangemanget av ett amorft fast ämne har varit Miaos dröm sedan han var doktorand. Den drömmen har nu förverkligats, efter 22 år av obeveklig jakt.

"Denna studie öppnade precis en ny dörr, " han sa.

Metallglas tenderar att vara både starkare och mer formbara än vanliga kristallina metaller, och de används idag i produkter som sträcker sig från elektriska transformatorer till avancerade golfklubbor och höljen för bärbara Apple-datorer och andra elektroniska enheter. Att förstå atomstrukturen hos metallglas kan hjälpa ingenjörer att designa ännu bättre versioner av dessa material, för ett ännu bredare utbud av applikationer.

Forskarna använde en teknik som kallas atomelektrontomografi, en typ av 3D-bildbehandling som utvecklats av Miao och medarbetare. Tillvägagångssättet går ut på att stråla elektroner genom ett prov och samla in en bild på andra sidan. Provet roteras så att mätningar kan tas från flera vinklar, ger data som sys ihop för att producera en 3D-bild.

"Vi kombinerade state-of-the-art elektronmikroskopi med kraftfulla algoritmer och analystekniker för att studera strukturer ner till nivån av enskilda atomer, sa medförfattaren Peter Ercius, en stabsforskare vid Lawrence Berkeley National Laboratory's Molecular Foundry, där experimentet utfördes. "Direkt kunskap om amorfa strukturer på denna nivå är en game changer för de fysiska vetenskaperna."

Forskarna undersökte ett prov av metalliskt glas cirka 8 nanometer i diameter, gjord av åtta olika metaller. (En nanometer är en miljarddels meter.) Med hjälp av 55 atomelektrontomografibilder, Miao och kollegor skapade en 3D-karta över de cirka 18, 000 atomer som utgjorde nanopartikeln.

Eftersom amorfa fasta ämnen har varit så svåra att karakterisera, forskarna förväntade sig att atomerna skulle ordnas kaotiskt. Och även om cirka 85 % av atomerna var i ett oordnat arrangemang, forskarna kunde identifiera fickor där en bråkdel av atomerna smälte samman till ordnade superkluster. Fyndet visade att även inom ett amorft fast ämne, arrangemanget av atomer är inte helt slumpmässigt.

Miao erkände en begränsning av forskningen, bärs av själva gränserna för elektronmikroskopi. Vissa av metallatomerna var så lika i storlek att elektronavbildning inte kunde skilja mellan dem. För studiens syfte, forskarna grupperade metallerna i tre kategorier, förenar grannar från det periodiska systemet för element:kobolt och nickel i den första kategorin; rutenium, rodium, palladium och silver i den andra; och iridium och platina i den tredje.

Forskningen stöddes främst av STROBE National Science Foundation Science and Technology Center, där Miao är biträdande direktör, och delvis av det amerikanska energidepartementet.

"Det här banbrytande resultatet exemplifierar kraften i ett transdisciplinärt team, sa Charles Ying, National Science Foundation-programansvarig som övervakar finansieringen av STROBE-centret. "Det visar behovet av långsiktigt stöd för ett center för att ta itu med den här typen av komplexa forskningsprojekt."

Studiens första författare är doktoranden Yao Yang, tidigare biträdande projektforskaren Jihan Zhou, tidigare postdoktor Fan Zhu, och postdoktor Yakun Yuan, alla nuvarande eller tidigare medlemmar i Miaos forskargrupp vid UCLA. Andra UCLA-medförfattare är doktoranderna Dillan Chang och Arjun Rana; tidigare postdoktorer Dennis Kim och Xuezeng Tian; biträdande adjungerad professor i matematik Minh Pham; och matematikprofessorn Stanley Osher.

Andra medförfattare är Yonggang Yao och Liangbing Hu från University of Maryland, College Park; och Andreas Schmid och Peter Ercius från Lawrence Berkeley National Laboratory.

"Detta arbete är en bra illustration av hur man kan hantera långvariga stora utmaningar genom att sammanföra forskare med många olika bakgrunder inom fysik, matematik, material- och bildvetenskap, med starka partnerskap mellan universitet och nationella laboratorier, sa Margaret Murnane, chef för STROBE-centret. "Det här är ett spektakulärt lag."