科學家首次觀測納米粒子中23000個原子精確位置

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科學家首次觀測到一個鐵鉑納米粒子中6569個鐵原子和16627個鉑原子的精確位置

工作人員介紹說,實驗中觀測到的這個粒子由鐵和鉑組成,直徑僅約8.4納米(十億分之一米)。為什麼很多人會關注小小的原子位置呢?在相關會議上,德國杜伊斯堡-埃森大學物理學家邁克爾-法爾勒解釋說,“在納米層級,每一個原子都是看得到數得清。在一個鐵鉑納米粒子中,隻需改變少數幾個鐵和鉑原子的相對位置,就有可能引起該粒子屬性產生重大變化,比如粒子對磁場的反應。”

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研究人員介紹了實驗的經過。在一個掃描電子顯微鏡下,一束電子束穿過一個物體的表面並形成顯微圖像。研究人員甚至可以看得到非常微妙的物質細節,比如晶體和蛋白質分子等。法爾勒介紹說,“現在有許多強大的技術來描繪出晶體的結構,但這些晶體必須要是完美的晶體。”通常情況下,此類電子顯微鏡一般用於觀測晶體或其它較大分子。研究人員用電子束照射樣本,當電子從樣本的原子上彈射開來時,會碰觸一個探測器。研究人員由此判斷電子所處的位置,進而了解到晶體或分子中原子的分布情況。

埃爾克斯介紹說,問題在於所形成的圖像是利用平均數據形成的,這需要對許多原子和分子進行觀測才能得到。換句話說,研究人員所看到的圖像只能了解原子的大概分布情況,而無法確定每一個原子的位置。鐵鉑納米粒子是一種不規則晶體,常用的掃描方法對它們不起作用,因為其中的原子是以一種獨特的甚至是輕微不規則的方式分布的。因此,埃爾克斯等人想到了一種使用電子顯微鏡的新方法,他們決定從不同的角度來觀測這個鐵鉑粒子。

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為了實現這一目標,研究人員改變了樣本的準備方式。在實驗中,樣本並不是按常規放置,而是被置於一個特殊的底座上,而這個底座可以進行旋轉,這樣就可以讓鐵鉑粒子產生傾斜,並且在電子束的每一次掃描拍攝後,方向會產生輕微的變化。其它方面,研究人員都是按常規方法去完成整個程序。這一細小的變化產生了較好的效果,不同的方向形成了不同的掃描圖像。研究人員再對這些圖像進行計算,從而得到了這個納米粒子中6569個鐵原子和16627個鉑原子的精確位置。這一過程其實與從不同角度形成物體3D模型的過程很相似。法爾勒表示,實驗結果中原子位置的精確度可達一個原子直徑的十分之一。

研究人員認為,得到如此精確的圖像將來或許可以幫助材料科學家製造納米尺寸應用結構,如硬盤驅動器等。埃爾克斯表示,“所有晶體都有缺點。如果它們的納米粒子中存在這些怪異的缺點,現在就可以清楚地看到它們以及了解它們之間究竟是如何相互影響的。”了解每一個原子之間的確切位置將可以幫助科學家預測一個晶體是如何生成的。埃爾克斯介紹說,現在材料科學家在進行模擬試驗時,他們不得不預先假設一種晶體是以某種特定方式生成的,這樣的假設引導著他們接下來的預測。如果他們能夠清楚這些原子的確切位置,就可以作出更為準確的預測。

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