(Phys.org)-Med hjälp av ett toppmodern mikroskop och nya metoder för bildbehandling, ett multinstitutionellt team av forskare har tagit fram ett uppfinningsrikt sätt att mäta positionerna för enskilda atomplatser i material mer exakt än någonsin tidigare.
I en artikel publicerad 11 juni, 2014 i tidningen Naturkommunikation , laget visade förmågan att lokalisera atomer i högupplösta bilder av material till bättre än en pikometer, eller en hundradels nanometer. Det är mer än fem gånger bättre än tidigare avbildningsmetoder.
Andrew Yankovich, en doktorand i materialvetenskap och teknik vid University of Wisconsin-Madison, är den första författaren på tidningen.
Den nya tekniken gör det möjligt för forskare att identifiera tidigare odetekterbara skift av enskilda atomplatser i ett material. Insikter i dessa atomskift kan hjälpa till att bana väg för innovativa nya material.
"Innan vårt arbete, forskare kan använda röntgendiffraktionstekniker för att mäta miljontals atomer åt gången, och om ett helt gäng av dessa atomer rör sig lite närmare eller lite längre ifrån varandra, det skiftet är mätbart, "säger medförfattaren Paul Voyles, docent i materialvetenskap och teknik vid UW-Madison.
Även om röntgendiffraktion fortfarande är ett bättre sätt att mäta skift som omfattar ett stort antal atomer till mycket högre precision, det ger inte användbara mätningar för specifika strukturer där forskare försöker mäta skift i endast några atomer.
"Nu, med denna nya teknik, vi kan säga "denna atom rörde sig lite närmare den atomen - och vi pratar bara om dessa två atomer, "säger Voyles." Det ger oss möjligheten att svara på frågor om det atomiska ursprunget för funktionen av helt nya materialklasser, som metall -nanopartikelkatalysatorer, som var mycket svåra att mäta innan. "
Även om Voyles och hans team använder ett state-of-the-art skanningsöverföringselektronmikroskop (STEM) vid UW-Madison för att samla in experimentella data, det är extremt svårt att mäta atomstrukturer i pikometerskalan, säger Voyles.
"Om något rör sig - sondstrålen av elektroner, provexemplaret, själva mikroskopet, eller den elektriska strömmen som flödar i någon av linserna - då lägger det till instabilitet i bilden, vilket betyder att atomer rör sig bort från det de borde vara i bilden, "säger Voyles." STEM är extremt känslig för miljön där den sitter. "
Voyles startade detta forskningsprojekt eftersom han letade efter en lösning på dessa instrumentella instabiliteter, vilket begränsade möjligheten att göra mer exakta mätningar av atomplatser.
Voyles säger att tvärvetenskapligt samarbete spelade en avgörande roll för att lösa problemet. Han träffade sina medarbetare på en workshop organiserad av medförfattare Peter Binev och Wolfgang Dahmen vid Interdisciplinary Mathematics Institute vid University of South Carolina, som bjöd in Voyles och andra inom elektronmikroskopi att prata om utmaningar inom sitt område. Han samarbetade med experter på tillämpad matematik och bildbehandling för att leta efter lösningar.
Voyles säger att genombrottet kom när teamet hittade nya och smarta sätt att kombinera datavetenskapstekniker från tillämpad matematik till arbete med STEM -materialdata. Resultatet blev en ny kombination av matematik och algoritmer, inbyggt i ett mjukvaruverktyg.
Den nya tekniken innebär att man använder STEM för att ta cirka 500 bilder av ett prov så snabbt som möjligt. Bilderna borde alla vara desamma - men det är de inte, eftersom instabiliteten kan få atomer att visas i fel positioner. För att rätta till detta, forskarna använder en algoritm för att uppskatta alla instabiliteten i varje bild och ångra dem, ger korrigerade bilder med en ny precision.
Nästa steg skulle vara att förbättra användbarheten och effektiviteten för programvaran och göra den allmänt tillgänglig.
"Jag tror att det finns en stor möjlighet för fortsatt tvärvetenskapligt samarbete av en liknande typ som vi har gjort, att driva fram till nya svar på vetenskapliga frågor, säger Voyles.
