(PhysOrg.com)-UCLA-forskare kan nu titta djupt in i världens minsta strukturer för att skapa tredimensionella bilder av enskilda atomer och deras positioner. Deras forskning, publicerad 22 mars i tidningen Natur , presenterar en ny metod för att direkt mäta atomstrukturen hos nanomaterial.

"Detta är det första experimentet där vi direkt kan se lokala strukturer i tre dimensioner med atomupplösning-det har aldrig gjorts tidigare, "sa Jianwei (John) Miao, professor i fysik och astronomi och forskare vid California NanoSystems Institute (CNSI) vid UCLA.

Miao och hans kollegor använde ett svepelektronmikroskop för att svepa en smal stråle av högenergi-elektroner över en liten guldpartikel med bara 10 nanometer i diameter (nästan 1, 000 gånger mindre än en röd blodkropp). Nanopartikeln innehöll tiotusentals individuella guldatomer, var och en ungefär en miljon gånger mindre än bredden på ett människohår. Dessa atomer interagerar med elektronerna som passerar genom provet, kasta skuggor som håller information om nanopartikelns inre struktur på en detektor under mikroskopet.

Miaos team upptäckte att genom att ta mätningar i 69 olika vinklar, de kunde kombinera data som samlats in från varje enskild skugga till en 3D-rekonstruktion av nanopartikelns inre. Med denna metod, som kallas elektrontomografi, Miaos team kunde direkt se enskilda atomer och hur de placerades inuti den specifika guldnanopartikeln.

Nuvarande, Röntgenkristallografi är den primära metoden för att visualisera 3D-molekylära strukturer vid atomupplösningar. Dock, denna metod innebär att mäta många nästan identiska prover och medelvärde för resultaten. Röntgenkristallografi tar vanligtvis ett genomsnitt över biljoner molekyler, vilket gör att viss information går vilse i processen, Sa Miao.

"Det är som att i genomsnitt sammanställa alla på jorden för att få en uppfattning om hur en människa ser ut - man saknar helt de individuella egenskaperna hos varje individ, " han sa.

Röntgenkristallografi är en kraftfull teknik för att avslöja strukturen av perfekta kristaller, som är material med en obruten honungskaka av perfekt åtskilda atomer uppställda lika snyggt som böcker på en hylla. Ändå är de flesta strukturer som finns i naturen icke-kristallina, med strukturer som är mycket mindre ordnade än sina kristallina motsvarigheter - bild på en rockkonsert mosh -grop snarare än soldater på parad.

"Vår nuvarande teknik är huvudsakligen baserad på kristallstrukturer eftersom vi har sätt att analysera dem, "Miao sa." Men för icke-kristallina strukturer, inga direkta experiment har sett atomstrukturer i tre dimensioner tidigare. "

Att sondera icke-kristallina material är viktigt eftersom även små variationer i strukturen i hög grad kan förändra ett materials elektroniska egenskaper, Noterade Miao. Möjligheten att noggrant undersöka insidan av en halvledare, till exempel, kan avslöja dolda interna brister som kan påverka dess prestanda.

"Den tredimensionella atomupplösningen för icke-kristallina strukturer är fortfarande ett stort olöst problem inom fysikaliska vetenskaper, " han sa.

Miao och hans kollegor har inte riktigt knäckt den icke-kristallina gåtan, men de har visat att de kan avbilda en struktur som inte är helt kristallin med en upplösning på 2,4 ångström (medelstorleken på en guldatom är 2,8 ångström). Den guldnanopartikel som de mätte för sitt papper visade sig bestå av flera olika kristallkorn, var och en bildar en pusselbit med atomer inriktade i subtilt olika mönster. En nanostruktur med dolda kristallina segment och gränser inuti kommer att bete sig annorlunda än en gjord av en enda kontinuerlig kristall - men andra tekniker hade inte kunnat visualisera dem i tre dimensioner, Sa Miao.

Miaos team fann också att den lilla gyllene klumpen de studerade faktiskt var formad som en mångfacetterad pärla, fast lite klämd på ena sidan från att vila på en platt scen inuti det gigantiska mikroskopet - en annan liten detalj som kan ha varit i genomsnitt bort när man använde mer traditionella metoder.

Detta projekt inspirerades av Miaos tidigare forskning, vilket innebar att hitta sätt att minimera strålningsdosen som administreras till patienter under CT -skanningar. Under en skanning, patienter måste röntgas i olika vinklar, och dessa mätningar kombineras för att ge läkare en bild av vad som finns i kroppen. Miao hittade ett matematiskt effektivare sätt att få liknande högupplösta bilder samtidigt som man tar skanningar i färre vinklar. Han insåg senare att denna upptäckt kan gynna forskare som undersöker insidan av nanostrukturer, inte bara läkare på jakt efter tumörer eller frakturer.

Nanostrukturer, som patienter, kan skadas om för många skanningar administreras. Ett ständigt bombardemang av elektroner med hög energi kan göra att atomerna i nanopartiklar omorganiseras och själva partikeln ändrar form. Genom att föra sin medicinska upptäckt till sitt arbete inom materialvetenskap och nanovetenskap, Miao kunde uppfinna ett nytt sätt att kika in i fältets minsta strukturer.

Upptäckten som gjorts av Miaos team kan leda till förbättringar i upplösning och bildkvalitet för tomografiforskning på många områden, inklusive studier av biologiska prover.