Vardagliga övergångar från ett tillstånd av materia till ett annat – som att frysa, smältning eller avdunstning – börja med en process som kallas "kärnbildning, "där små grupper av atomer eller molekyler (kallade" kärnor ") börjar samlas. Kärnbildning spelar en avgörande roll under så olika omständigheter som molnbildning och neurodegenerativ sjukdom.

Ett team som leds av UCLA har fått en aldrig tidigare skådad syn på kärnbildning – och fångar hur atomerna ordnar om vid 4-D atomupplösning (det vill säga, i tre dimensioner av rum och över tid). Resultaten, publiceras i tidskriften Natur , skiljer sig från förutsägelser baserade på den klassiska kärnteori som länge har dykt upp i läroböcker.

"Detta är verkligen ett banbrytande experiment - vi lokaliserar och identifierar inte bara enskilda atomer med hög precision, men också övervaka deras rörelse i 4-D för första gången, "sa seniorförfattaren Jianwei" John "Miao, en UCLA-professor i fysik och astronomi, som är biträdande direktör för STROBE National Science Foundation Science and Technology Center och medlem av California NanoSystems Institute vid UCLA.

Forskning från teamet, som inkluderar medarbetare från Lawrence Berkeley National Laboratory, University of Colorado i Boulder, University of Buffalo och University of Nevada, Reno, bygger på en kraftfull bildteknik som tidigare utvecklats av Miaos forskargrupp. Den metoden, kallad "atomelektrontomografi, " använder ett toppmodernt elektronmikroskop beläget vid Berkeley Labs Molecular Foundry, som avbildar ett prov med elektroner. Provet roteras, och på ungefär samma sätt genererar en CAT-skanning en tredimensionell röntgen av människokroppen, atom elektron elektron tomografi skapar fantastiska 3D-bilder av atomer i ett material.

Miao och hans kollegor undersökte en järn-platinalegering bildad till nanopartiklar så små att det tar mer än 10, 000 läggs sida vid sida för att spänna över bredden av ett människohår. För att undersöka kärnbildning, forskarna värmde nanopartiklarna till 520 grader Celsius, eller 968 grader Fahrenheit, och tog bilder efter 9 minuter, 16 minuter och 26 minuter. Vid den temperaturen, legeringen genomgår en övergång mellan två olika fasta faser.

Även om legeringen ser likadan ut med blotta ögat i båda faserna, närmare granskning visar att 3D-atomarrangemangen skiljer sig från varandra. Efter uppvärmning, strukturen ändras från ett blandat kemiskt tillstånd till ett mer ordnat, med omväxlande lager av järn- och platinaatomer. Förändringen i legeringen kan jämföras med att lösa en Rubiks kub - den förvirrade fasen har alla färger slumpmässigt blandade, medan den ordnade fasen har alla färger i linje.

I en mödosam process ledd av förstaförfattarna och UCLA-postdoktorerna Jihan Zhou och Yongsoo Yang, laget spårade samma 33 kärnor - några så små som 13 atomer - inom en nanopartikel.

"Folk tror att det är svårt att hitta en nål i en höstack, " sa Miao. "Hur svårt skulle det vara att hitta samma atom i mer än en biljon atomer vid tre olika tidpunkter?"

Resultaten var överraskande, eftersom de motsäger den klassiska teorin om kärnbildning. Den teorin hävdar att kärnor är perfekt runda. I studien, däremot kärnor bildade oregelbundna former. Teorin antyder också att kärnor har en skarp gräns. Istället, forskarna observerade att varje kärna innehöll en kärna av atomer som hade förändrats till den nya, beställd fas, men att arrangemanget blev mer och mer rörigt närmare kärnans yta.

Klassisk kärnbildningsteori säger också att när en kärna når en viss storlek, det blir bara större därifrån. Men processen verkar vara mycket mer komplicerad än så:Förutom att växa, kärnorna i studien krympte, delas och slås samman; en del upplöstes helt.

"Kärnbildning är i grunden ett olöst problem på många områden, "sa medförfattaren Peter Ercius, en stabsforskare vid Molecular Foundry, en nanovetenskaplig anläggning som erbjuder användarna ledande instrumentering och expertis för forskningssamarbete. "När du kan föreställa dig något, du kan börja fundera på hur du ska kontrollera det."

Fynden ger direkta bevis för att klassisk kärnbildningsteori inte exakt beskriver fenomen på atomnivå. Upptäckten om kärnbildning kan påverka forskning inom ett brett spektrum av områden, inklusive fysik, kemi, materialvetenskap, miljövetenskap och neurovetenskap.

"Genom att fånga atomrörelse över tid, denna studie öppnar nya vägar för att studera ett brett utbud av material, kemiska och biologiska fenomen, "sade programchefen för National Science Foundation, Charles Ying, som övervakar finansieringen av STROBE-centret. "Detta transformativa resultat krävde banbrytande framsteg inom experiment, dataanalys och modellering, ett resultat som krävde den breda kompetensen hos centrets forskare och deras medarbetare."