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左手Science，右手Nature！講真，這個材料要火！

納米人 2021-05-04

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是的，我們今天要介紹的，

又是

玻璃

非晶態(tài)固體原子級精確3D結(jié)構(gòu)的表征

知曉材料中精確組分和每個原子3D位置，就可以從物理定律層面對其霧化性質(zhì)進(jìn)行預(yù)測。晶體中的原子位置具有長程有序性，目前已經(jīng)有諸多策略用于確定晶體材料中原子級精確的3D結(jié)構(gòu)。在上個世紀(jì)，晶體學(xué)被廣泛地應(yīng)用于測定晶體樣品的3D原子結(jié)構(gòu)，這些原子級精確的結(jié)構(gòu)是許多科學(xué)領(lǐng)域發(fā)展的基礎(chǔ)。

玻璃，塑料和非晶薄膜之類的非晶態(tài)固體在我們的日常生活中無處不在，并且被廣泛應(yīng)用到通訊、電子產(chǎn)品和太陽能電池等領(lǐng)域。然而，對于非晶態(tài)固體的3D原子結(jié)構(gòu)，我們的了解還是十分有限。

譬如缺乏長程周期性的玻璃態(tài)材料，其3D結(jié)構(gòu)主要是從實驗數(shù)據(jù)中間接推斷出來的，在實驗數(shù)據(jù)中，可以獲得平均統(tǒng)計結(jié)構(gòu)信息，或者需要模型擬合來分析局部原子有序性。這些定性的方法大大阻礙了我們對非晶固體的3D結(jié)構(gòu)和相關(guān)現(xiàn)象的基本理解，如晶體-非晶相變和玻璃化相變。

因此，對于缺乏長程有序性，無定形固體的三維（3D）原子結(jié)構(gòu)，如何直接進(jìn)行實驗確定，困擾了科學(xué)家長達(dá)近一個世紀(jì)之久。

原子電子斷層掃描重建技術(shù)確定非晶態(tài)固體的3D原子位置

有鑒于此，加州大學(xué)洛杉磯分校的Jianwei Miao教授等開發(fā)了一種原子電子斷層掃描重建方法，成功通過實驗確定了非晶態(tài)固體的3D原子位置。這項工作將為確定各種非晶態(tài)固體的3D結(jié)構(gòu)鋪平道路，同時可能會改變我們對非晶態(tài)材料和相關(guān)現(xiàn)象的基本理解。

亮點：

1. 首次實現(xiàn)了非晶材料的3D原子級精確結(jié)構(gòu)。展示了使用AET直接確定非晶固體的3D原子結(jié)構(gòu)的能力，這使我們能夠在單原子水平上定量分析短程有序性和中程有序性。

2、該表征技術(shù)具有普適性。除了本研究中的多組分玻璃態(tài)納米顆粒，也適用于不同幾何形狀的樣品，如薄膜等。

研究人員使用多組分非晶態(tài)合金作為研究對象，定量表征了其3D原子短程和中程有序排列結(jié)構(gòu)。研究發(fā)現(xiàn)，盡管短程有序的3D原子堆積在幾何上是無序的，但一些短程有序的結(jié)構(gòu)能夠彼此連接形成晶體狀的超團(tuán)簇并產(chǎn)生中程有序結(jié)構(gòu)。

圖1. 用AET測定多組分玻璃態(tài)納米顆粒的3D原子結(jié)構(gòu)。

相較其他樣品，每個立方納米的玻璃都有獨特的結(jié)構(gòu)，作者結(jié)合了原子分辨率電子斷層掃描技術(shù)和最先進(jìn)的計算成像技術(shù)，生成了一系列高質(zhì)量的2D圖像，這些圖像可以捕獲對比度較低的圖像。隨后他們使用原始方法來重建得到最終原子分辨率的3D圖像。

圖2. 玻璃態(tài)納米粒子的短程有序性研究。

該研究向金屬玻璃結(jié)構(gòu)精確模型預(yù)測邁出了重要一步。在該模型中，溶質(zhì)原子（在玻璃中少量存在的溶質(zhì)原子）位于溶劑原子簇的中心（占大多數(shù)原子）。這些團(tuán)簇充當(dāng)“超原子”，它們以大于原子尺度的尺寸緊密地堆積在一起，從而形成玻璃結(jié)構(gòu)。