(a) En HAADF-bild av en stavformad guldnanopartikel. De ljusa fläckarna motsvarar enskilda atomer. (b) Obearbetade atomförskjutningar beräknade med en konventionell metod. Större förskjutningar i endera riktningen visas i mörkare blått och ljusare gult. Bruset i mätningen kan uppskattas i bildens granularitet. (c) De sanna förskjutningarna som förutspås av GPR. Bruskomponenten har tagits bort. (d) Lokal stamkarta i nanorod. Båda lockens ändar uppvisar ljusgula områden, indikerar dragpåkänning längs den långa axeln. (e) Jämförelse med den konventionella metoden. Genom att använda GPR, den minsta detekterbara lokala stammen förbättrades från 1,1 % till 0,2 %. Kredit:Kohei Aso från JAIST.
Ibland, ett materials egendom, såsom magnetism och katalys, kan förändras drastiskt på grund av bara små förändringar i separationen mellan dess atomer, brukar kallas "lokala stammar" i materialvetenskapens språkbruk. En exakt mätning av sådana lokala stammar är, därför, viktigt för materialvetare.
En kraftfull teknik som används för detta ändamål är 'high-angle ringar dark-field imaging' (HAADF), ett tillvägagångssätt inom sveptransmissionselektronmikroskopi som producerar bilder med ljusa fläckar som teoretiskt sammanfaller med atompositioner. Dock, i praktiken, HAADF-bilder är ofta förvrängda på grund av mekaniskt och elektriskt brus i apparaten, begränsa de minsta mätbara lokala stammarna till drygt 1 %.
Nu, ett team av vetenskapsmän ledda av biträdande professor Kohei Aso från Japan Advanced Institute of Science and Technology (JAIST), Japan, har utnyttjat en metod från datavetenskapsområdet för att mäta töjningsfördelning i material mer exakt, förbättra precisionen för HAADF-avbildning. Den här studien, publiceras i ACS Nano , genomfördes i samarbete med JAIST professor Yoshifumi Oshima, då doktorand Jens Maebe, postdoktor Xuan Quy Tran, biträdande professor Tomokazu Yamamoto, och professor Syo Matsumura från Kyushu University, Japan.
Teamet kombinerade HAADF-avbildning med Gaussisk processregression (GPR), en databehandlingsteknik som vanligtvis används inom maskininlärning och områden som ekonomi och geologi. I en Gaussisk process, det verkliga tillståndet för data (i detta fall, atompositioner eller förskjutning) antas representeras av en jämn funktion, och slumpmässigt brus läggs till detta "sanna tillstånd" när data observeras. Genom att vända denna process genom GPR, man kan mer exakt uppskatta atomernas verkliga positioner, och därmed beräkna lokala töjningar med högre precision. Specifikt, den föreslagna metoden gjorde det möjligt för teamet att mäta töjningen med en precision på 0,2 %.
Teamet visade potentialen i deras tillvägagångssätt genom att mäta lokala stammar i guldnanostrukturer och jämföra dragspänningar i en guldnanosfär med de i guldnanorods (i huvudsak cylindrar med halvsfäriska lock) av olika längder. Dessa jämförelser visade att stamfördelningar i guldnanopartiklar varierade beroende på deras form, med nanorods som uppvisar en dragpåkänning på cirka 0,5 % nära området där krökningen plötsligt förändras. Dr Aso förklarar att "det är känt att sfäriska guldnanopartiklar utsätts för likformig stress över hela sin yta, och denna spänning är proportionell mot ytspänningen. Således, likformig tryckspänning uppstår i riktningen vinkelrät mot ytan. I kontrast, i guld nanorods, spänningen som appliceras på ytan blir ojämn, och forskare har teoretiserat att dragpåkänning bör förekomma på vissa ställen. Dock, detta hade inte bevisats experimentellt, tills nu."
Med dessa fynd, teamet är stolta över framtidsutsikterna för deras strategi för belastningsmätning. "Vår teknik kommer att ge detaljerad information om atomvärlden, vilket är nödvändigt för utvecklingen av innovativa material och enheter med både hög prestanda och liten storlek. Detta kan vara användbart för utvecklingen av enheter och sensorer som använder material och strukturer i nanoskala. Dessutom, Metoden kräver inga dyra modifieringar eller komplicerade procedurer och kan lätt användas, " säger Dr Aso.
