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科学家首次观测纳米粒子中23000个原子精确位置

2017/2/9 8:52:54来源:新浪科技作者:-责编:刀马评论:

据国外媒体报道,美国科学家近日在《自然》杂志上发表最新研究成果称,他们利用扫描电子显微镜对一个直径仅约8.4纳米的粒子进行分析时,发现了其中23000多个原子的精确位置。研究人员表示,这是科学家首次观测到一个粒子中众多单个原子的精确位置。

科学家首次观测到一个铁铂纳米粒子中6569个铁原子和16627个铂原子的精确位置

研究团队由美国劳伦斯伯克利国家实验室科学家彼备-埃尔克斯和美国加州大学洛杉矶分校科学家苗建伟等人组成。工作人员介绍说,实验中观测到的这个粒子由铁和铂组成,直径仅约8.4纳米(十亿分之一米)。为什么很多人会关注小小的原子位置呢?在相关会议上,德国杜伊斯堡-埃森大学物理学家迈克尔-法尔勒解释说,“在纳米层级,每一个原子都是看得到数得清。在一个铁铂纳米粒子中,只需改变少数几个铁和铂原子的相对位置,就有可能引起该粒子属性产生重大变化,比如粒子对磁场的反应。”

研究人员介绍了实验的经过。在一个扫描电子显微镜下,一束电子束穿过一个物体的表面并形成显微图像。研究人员甚至可以看得到非常微妙的物质细节,比如晶体和蛋白质分子等。法尔勒介绍说,“现在有许多强大的技术来描绘出晶体的结构,但这些晶体必须要是完美的晶体。”通常情况下,此类电子显微镜一般用于观测晶体或其它较大分子。研究人员用电子束照射样本,当电子从样本的原子上弹射开来时,会碰触一个探测器。研究人员由此判断电子所处的位置,进而了解到晶体或分子中原子的分布情况。

埃尔克斯介绍说,问题在于所形成的图像是利用平均数据形成的,这需要对许多原子和分子进行观测才能得到。换句话说,研究人员所看到的图像只能了解原子的大概分布情况,而无法确定每一个原子的位置。铁铂纳米粒子是一种不规则晶体,常用的扫描方法对它们不起作用,因为其中的原子是以一种独特的甚至是轻微不规则的方式分布的。因此,埃尔克斯等人想到了一种使用电子显微镜的新方法,他们决定从不同的角度来观测这个铁铂粒子。

为了实现这一目标,研究人员改变了样本的准备方式。在实验中,样本并不是按常规放置,而是被置于一个特殊的底座上,而这个底座可以进行旋转,这样就可以让铁铂粒子产生倾斜,并且在电子束的每一次扫描拍摄后,方向会产生轻微的变化。其它方面,研究人员都是按常规方法去完成整个程序。这一细小的变化产生了较好的效果,不同的方向形成了不同的扫描图像。研究人员再对这些图像进行计算,从而得到了这个纳米粒子中6569个铁原子和16627个铂原子的精确位置。这一过程其实与从不同角度形成物体3D模型的过程很相似。法尔勒表示,实验结果中原子位置的精确度可达一个原子直径的十分之一。

研究人员认为,得到如此精确的图像将来或许可以帮助材料科学家制造纳米尺寸应用结构,如硬盘驱动器等。埃尔克斯表示,“所有晶体都有缺点。如果它们的纳米粒子中存在这些怪异的缺点,现在就可以清楚地看到它们以及了解它们之间究竟是如何相互影响的。”了解每一个原子之间的确切位置将可以帮助科学家预测一个晶体是如何生成的。埃尔克斯介绍说,现在材料科学家在进行模拟试验时,他们不得不预先假设一种晶体是以某种特定方式生成的,这样的假设引导着他们接下来的预测。如果他们能够清楚这些原子的确切位置,就可以作出更为准确的预测。

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