Лос-Анджелесские исследователи смогли глубоко заглянуть в самые мельчайшие структуры в мире, чтобы создать трёхмерные изображения отдельных атомов и их расположение, сообщает «WordScience.org». Данное исследование, опубликованное 22-го марта 2012-го года в журнале «Nature» (Природа), представляет собой новый метод прямого измерения атомной структуры наноматериалов.
«Это первый эксперимент, в котором мы можем непосредственно увидеть местные структуры в трёхмерном разрешении на атомном уровне. Раньше, этого никто не мог сделать», — сказал Цзянь-вэй Мяо, профессор физики, астрономии и научный сотрудник Калифорнийского института наносистем (CNSI) в Лос-Анджелесе.
Мяо и его коллеги использовали просвечивающий электронный микроскоп, чтобы осмотреть узкий луч высокоэнергетических электронов, состоящих из крошечных частиц золота — всего 10 нанометров в диаметре (почти в 1000 раз меньше, чем эритроцит). Наночастицы содержат десятки тысяч отдельных атомов золота, каждая из которых примерно в миллион раз меньше ширины человеческого волоса. Эти атомы взаимодействуют с электронами, которые проходящими через образец и отбрасывают тени, содержащие информацию о внутренней структуре наночастиц на детектор микроскопа.
Команда Мяо обнаружила, что при проведении измерений под 69-ью различными углами, они могут объединить данные, подбираемые из каждой тени в «3D» реконструкцию интерьера наночастицы. Используя этот метод, который известен как электронная томография, команда Мяо смогла увидеть отдельные атомы и то, как они были расположены внутри конкретных наночастиц золота.
В настоящее время рентгеновская кристаллография является основным методом для визуализации «3D» молекулярных структур на атомном разрешении. Однако, этот метод заключается в измерении многих, почти идентичных образцов и усреднении результатов. «Рентгеновская кристаллография обычно берёт в среднем по триллиону молекул, что приводит к потере некоторой информации в этом процессе», — сказал Мяо.
Рентгеновская кристаллография является мощным средством для выявления структуры совершенных кристаллов, которые являются материалами с ненарушенными сотами совершенно расположенных атомов, выстроенных в линию так же аккуратно, как книги на полке. Тем не менее, большинство структур, существующих в природе не являются кристаллическими, со структурами, гораздо менее упорядоченными, чем их кристаллические аналоги.
«Наша современная технология базируется в основном на кристаллических структурах, потому что мы знаем способы, как проанализировать их», — сказал Мяо. «До недавнего времени никакие эксперименты не позволяли разглядеть строение атома в трёхмерном изображении в не кристаллических структурах», — добавил он.
«Зондирование некристаллических материалов очень важно, поскольку даже небольшие изменения в структуре могут значительно изменять электронные свойства материала», — отметил Мяо. Например: возможность внимательно изучить внутренность полупроводника, может выявить скрытые внутренние дефекты, которые могли бы повлиять на его производительность.
«Трёхмерное атомное разрешение некристаллических структур остаётся одной из главных нерешённых проблем в физике», — сказал он.
Мяо и его коллеги не совсем разгадали «некристаллическую загадку», но они показали, что могут создать изображение структуры, которая не является идеально кристаллической и имеет разрешение 2,4 ангстрема (средний размер атома золота составляет 2,8 ангстрем). Оказалось, что наночастица золота, которую они измеряли в своём исследовании, состоит из нескольких различных кристаллических кристаллитов, формирующих паззл с атомами, выстроенных в слегка разбросанном порядке. «Наноструктуры со скрытыми кристаллическими сегментами и границами внутри будут вести себя иначе, чем те, которые сделаны из одного непрерывного кристалла», — сказал Мяо.
Команда Мяо также обнаружила, что небольшая капля золотая, которую они изучали, на самом деле имела форму многогранного драгоценного камня — ещё одна небольшая деталь, которая при использованием ранних более традиционных методов, возможно была упущена.
Этот проект был вдохновлён более ранними исследованиями Мяо, в которых искались пути минимизации дозы излучения пациентов, подвергавшихся использованию компьютерной томографии. Во время обследования, пациенты должны пройти рентген, сделанный под различными углами. В результате эти снимки объединяют, чтобы предоставить врачам картину человеческого тела. Мяо нашёл математически более эффективный способ получить аналогичные снимки с высоким разрешением, при этом сокращая в несколько раз использование рентгена. Позже он понял, что это открытие может принести пользу учёным зондирующим внутренности наноструктур, а не только врачам, которые отслеживают опухоли или переломы.
Наноструктуры, как и пациенты, могут быть повреждены, если проводится слишком много сканирования. Постоянная бомбардировка высокоэнергетических электронов может привести не только к изменению атомов в наночастицах, но и подтолкнуть к изменению формы у самой частицы. Собрав свои медицинские открытия в области материаловедения и нанотехнологий, Мяо удалось изобрести новый способ, чтобы заглянуть внутрь самых крошечных структур.
Открытие, сделанное командой Мяо может привести к улучшению разрешения и качества изображений при исследовании томографией во многих областях, включая исследования биологических образцов.
Данное исследование было проведено при «CNSI’s Electron Imaging Center» для «NanoMachines» и финансировалось «UC Discovery/Tomosoft Technologies». «Tomosoft Technologies» является старт-ап компанией, основанной для работы Miao.
Среди других соавторов «UCLA» находились: Крис Риган, доцент кафедры физики, астрономии и исследователь «CNSI»; аспиранты Мэри Скотт, Цянь-Чунь Чен, Мэтью Мекленбург, Чон Чжу и доктор Руи Сю. Важную роль в работе сыграли: Чэнь и Скотт. Соавторы: Петр Ерциус и Ульрих Дамен из Национального центра по электронной микроскопии в Национальной лаборатории Лоренса Беркли.
