Atomer är byggstenarna i all materia på jorden, och mönstren i vilka de är ordnade dikterar hur starka, ett material kommer att vara ledande eller flexibelt. Nu, forskare vid UCLA har använt ett kraftfullt mikroskop för att avbilda de tredimensionella positionerna för enskilda atomer med en precision av 19 biljondelar av en meter, som är flera gånger mindre än en väteatom.

Deras observationer gör det möjligt, för första gången, att härleda de makroskopiska egenskaperna hos material baserat på deras strukturella arrangemang av atomer, som kommer att vägleda hur forskare och ingenjörer bygger flygplanskomponenter, till exempel. Forskningen, leds av Jianwei (John) Miao, en UCLA-professor i fysik och astronomi och medlem av UCLAs California NanoSystems Institute, publiceras 21 september i nätupplagan av tidskriften Naturmaterial .

I mer än 100 år, Forskare har kommit fram till hur atomer är ordnade i tredimensionell rymd med hjälp av en teknik som kallas röntgenkristallografi, vilket innebär att man mäter hur ljusvågor sprids från en kristall. Dock, Röntgenkristallografi ger bara information om de genomsnittliga positionerna för många miljarder atomer i kristallen, och inte om enskilda atomers exakta koordinater.

"Det är som att ta ett genomsnitt av människor på jorden, " sa Miao. "De flesta människor har ett huvud, två ögon, en näsa och två öron. Men en bild av den genomsnittliga personen kommer fortfarande att se annorlunda ut än du och jag."

Eftersom röntgenkristallografi inte avslöjar strukturen av ett material per atom, Tekniken kan inte identifiera små brister i material som frånvaron av en enda atom. Dessa ofullkomligheter, känd som punktdefekter, kan försvaga material, vilket kan vara farligt när materialen är komponenter i maskiner som jetmotorer.

"Punktdefekter är mycket viktiga för modern vetenskap och teknik, " sa Miao.

Miao och hans team använde en teknik som kallas scanning transmission elektronmikroskopi, där en elektronstråle som är mindre än storleken på en väteatom skannas över ett prov och mäter hur många elektroner som interagerar med atomerna vid varje skanningsposition. Metoden avslöjar atomstrukturen hos material eftersom olika arrangemang av atomer gör att elektroner interagerar på olika sätt.

Dock, sveptransmissionselektronmikroskop producerar endast tvådimensionella bilder. Så att skapa en 3D-bild kräver att forskare skannar provet en gång, luta den några grader och skanna den igen – upprepa processen tills den önskade rumsliga upplösningen uppnås – innan du kombinerar data från varje skanning med en datoralgoritm. Nackdelen med denna teknik är att den upprepade elektronstrålningen gradvis kan skada provet.

Med hjälp av ett skanningstransmissionselektronmikroskop vid Lawrence Berkeley National Laboratory's Molecular Foundry, Miao och hans kollegor analyserade en liten bit volfram, ett element som används i glödlampor. Eftersom provet lutades 62 gånger, forskarna kunde långsamt sätta ihop en 3D-modell av 3, 769 atomer i spetsen av volframprovet.

Experimentet var tidskrävande eftersom forskarna fick vänta flera minuter efter varje lutning för att uppställningen skulle stabiliseras.

"Våra mätningar är så exakta, och alla vibrationer – som en person som går förbi – kan påverka vad vi mäter, sade Peter Ercius, en stabsforskare vid Lawrence Berkeley National Laboratory och författare till artikeln.

Forskarna jämförde bilderna från den första och sista skanningen för att verifiera att volframet inte hade skadats av strålningen, tack vare att elektronstråleenergin hålls under strålningsskadetröskeln för volfram.

Miao och hans team visade att atomerna i spetsen av volframprovet var ordnade i nio lager, varav den sjätte innehöll en punktdefekt. Forskarna tror att defekten antingen var ett hål i ett annars fyllt lager av atomer eller en eller flera sammanflätade atomer av ett lättare element som kol.

Oavsett arten av punktdefekten, forskarnas förmåga att upptäcka dess närvaro är betydande, demonstrerar för första gången att koordinaterna för enskilda atomer och punktdefekter kan registreras i tre dimensioner.

"Vi gjorde ett stort genombrott, " sa Miao.

Miao och hans team planerar att bygga vidare på sina resultat genom att studera hur atomer är ordnade i material som har magnetism eller energilagringsfunktioner, vilket kommer att bidra till att informera vår förståelse av egenskaperna hos dessa viktiga material i den mest fundamentala skalan.

"Jag tror att det här arbetet kommer att skapa ett paradigmskifte i hur material karaktäriseras på 2000-talet, " sade han. "Punktdefekter påverkar starkt ett material egenskaper och diskuteras i många fysik- och materialvetenskapliga läroböcker. Våra resultat är den första experimentella bestämningen av en punktdefekt inuti ett material i tre dimensioner."