Denna bild visar atomkompositionen av en nanopartikel av järnplatina, delas upp i separata delar som visar enskilda atomers position. Kredit:Colin Ophus och Florian Niekiel/Berkeley Lab
Kartläggningen av de små partiklarnas inre atomstruktur blev bara lättare tack vare en ny datoralgoritm och grafiskt användargränssnitt (GUI) som utvecklats av forskare vid och Lawrence Berkeley National Laboratory (Berkeley Lab) och University of California, Los Angeles.
Framstegen ger ett nytt verktyg till området för elektrontomografi som forskarna hoppas kommer att utöka användbarheten av de tekniker de använder för att montera detaljerade 3D-bilder av objekt genom att skanna dem med en elektronstråle. Tomografi låter forskare titta in i ett material och studera dess inre struktur, som med röntgen och MRI (magnetisk resonanstomografi) inom medicinsk vetenskap. Atomelektrontomografi (AET) har blivit allt viktigare för att exakt karakterisera ett brett spektrum av material på singelatomnivå.
"Till skillnad från biologiska strukturer, inom materialvetenskap är varje nanopartikels struktur unik – som en snöflinga – på atomär skala, sade Peter Ercius, personalforskare vid National Center for Electron Microscopy, en anläggning vid Berkeley Labs Molecular Foundry. "Med 3D-koordinaterna, du kan börja lära dig om den exakta atomstrukturen och hur den strukturen ger ett material dess egenskaper." Molecular Foundry är ett vetenskapligt forskningscenter i nanoskala som är öppet för besökande forskare från hela landet och världen.
Ett nyutvecklat grafiskt användargränssnitt gör det lättare för forskare att dra nytta av datoralgoritmer designade för atomelektrontomografi. Kredit:Berkeley Lab
För att kartlägga en struktur i 3D, forskare avbildar partikeln i 2D från flera vinklar och förlitar sig sedan på sofistikerade datoralgoritmer för att omvandla serien av 2D-projektioner till en 3D-rekonstruktion av partikeln. Forskargruppen rapporterade tidigare om kartläggning av 3D-koordinaterna för mer än 3, 000 atomer i en volframnål med en precision av 19 biljondelar av en meter (19 picometers), och 23, 000 atomer i en platina-järn nanopartikel, tillsammans med att skilja mellan olika element inom samma partikel.
Forskarnas nya datoralgoritm är parallelliserad, vilket innebär att dess individuella uppgifter kan delas upp och köras samtidigt på separata datorprocessorer. De separata resultaten kombineras sedan för att producera det slutliga resultatet. Denna förmåga ökar bildbehandlingshastigheten avsevärt.
De hoppas också kunna öka tillgängligheten för sin teknik genom att göra koden öppen källkod, och har ett GUI som är lätt att använda. "Användargränssnittet kommer att ge ett sätt att ställa in beräkningarna och analysera resultaten samtidigt som alla tillgängliga alternativ visas, så att användare kan optimera sina bildrekonstruktioner, ", sa Ercius. "Varje nanostruktur är unik och kräver input från användaren för att få bästa resultat."
