編輯總結(jié)
利用透射電子顯微鏡在氣體環(huán)境中揭示了金屬納米顆粒表面的連續(xù)轉(zhuǎn)變。研究采用無監(jiān)督深度去噪方法，克服了高空間分辨率和毫秒級時間分辨率成像過程中固有的低信噪比問題。研究發(fā)現(xiàn)，鈰氧化物上鉑納米顆粒表面下方的應(yīng)力場會使納米顆粒不穩(wěn)定，導(dǎo)致其在有序和無序結(jié)構(gòu)之間發(fā)生一系列轉(zhuǎn)變。——Phil Szuromi
研究背景
材料的功能性可能與發(fā)生在毫秒時間尺度上的原子級結(jié)構(gòu)動態(tài)變化相關(guān)。然而，電子顯微鏡在實(shí)現(xiàn)高空間分辨率和毫秒級時間分辨率成像時，往往受到低信噪比的限制。鑒于此，紐約大學(xué)Carlos Fernandez-Granda教授團(tuán)隊、第一作者亞利桑那州立大學(xué)Peter A. Crozier等研究者在Science期刊上發(fā)表了題為“Visualizing nanoparticle surface dynamics and instabilities enabled by deep denoising”的最新論文。他們通過無監(jiān)督深度去噪框架，研究者在適中的電子劑量下，以最快10毫秒的時間分辨率觀察了氣體環(huán)境中的金屬納米顆粒表面（鈰氧化物上鉑納米顆粒）。在這一時間尺度上，許多納米顆粒表面會在有序和無序結(jié)構(gòu)之間持續(xù)轉(zhuǎn)變。應(yīng)力場可滲透至表面以下，導(dǎo)致缺陷形成和不穩(wěn)定性，使納米顆粒表現(xiàn)出流變性。結(jié)合這一無監(jiān)督去噪方法與原位電子顯微鏡，大大提升了時空表征能力，為探索材料的原子級結(jié)構(gòu)動態(tài)變化開辟了新途徑。
研究亮點(diǎn)
(1) 實(shí)驗(yàn)首次利用基于深度學(xué)習(xí)的無監(jiān)督去噪方法，實(shí)現(xiàn)了在氣體環(huán)境下對金屬納米顆粒表面結(jié)構(gòu)動態(tài)性的高時間分辨率（10 ms）觀測，并在適中的電子劑量下（~103 e? ??2 s?1）獲得了1? 的空間分辨率。(2) 實(shí)驗(yàn)通過機(jī)器學(xué)習(xí)去噪技術(shù)，顯著提高了TEM圖像的信噪比（提升近40倍），從而揭示了納米顆粒表面在有序與無序狀態(tài)之間的持續(xù)轉(zhuǎn)變。這些快速結(jié)構(gòu)變化引發(fā)了應(yīng)力場滲透至納米顆粒內(nèi)部，導(dǎo)致缺陷形成及整體結(jié)構(gòu)的不穩(wěn)定性，使納米顆粒表現(xiàn)出流變性。(3) 實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)低能量穩(wěn)定表面并非靜態(tài)，而是具有高度活躍的原子動力學(xué)特性。這些動態(tài)行為可能與催化功能直接相關(guān)，尤其在多相催化中，短暫的亞穩(wěn)態(tài)表面結(jié)構(gòu)可能影響反應(yīng)活性。(4) 本研究證明結(jié)合高性能電子探測器與AI去噪框架，可以在降低電子劑量的同時，實(shí)現(xiàn)高空間和時間分辨率的原子級觀測。這一方法為深入探索金屬納米顆粒的表面動態(tài)性及亞穩(wěn)態(tài)結(jié)構(gòu)演化提供了新的技術(shù)手段，有助于理解納米催化劑的結(jié)構(gòu)-功能關(guān)系。
圖文解讀
圖 1. 無監(jiān)督深度去噪方法學(xué)。圖 3. 次表面區(qū)域的動態(tài)變化與納米顆粒的流變性。圖 4. 鉑納米顆粒的整體結(jié)構(gòu)動態(tài)量化分析。
結(jié)論展望
在新開發(fā)的無監(jiān)督AI去噪算法和原位電子顯微鏡的幫助下，研究者實(shí)現(xiàn)了對納米顆粒表面的原子級分辨率觀測，時間分辨率達(dá)到10ms，同時保持了適中的電子劑量。研究者觀察并表征了Pt納米顆粒在CO環(huán)境下的結(jié)構(gòu)動態(tài)，發(fā)現(xiàn)納米顆粒表面在相對穩(wěn)定的晶體學(xué)終止態(tài)與更活躍的快速擴(kuò)散Pt原子構(gòu)成的吸附層之間不斷轉(zhuǎn)換。吸附層原子暫時“漂浮”在常規(guī)的晶體學(xué)終止態(tài)之上，有時發(fā)生成核，形成新的單層晶面，也可能擴(kuò)散消失。這一過程是持續(xù)的，在室溫下的時間尺度<100 ms 內(nèi)，晶體學(xué)終止態(tài)會不斷穩(wěn)定和失穩(wěn)。表面結(jié)構(gòu)動態(tài)和應(yīng)力場可滲透至表面以下，導(dǎo)致層錯等缺陷的形成。許多納米顆粒，尤其是較小的顆粒，在長時間內(nèi)經(jīng)歷極端的結(jié)構(gòu)不穩(wěn)定性。通過拓?fù)鋽?shù)據(jù)分析，研究者能夠定量區(qū)分顆粒處于有序的亞穩(wěn)態(tài)還是更具流變性的無序狀態(tài)。高時空分辨率的AI去噪技術(shù)使研究者能夠識別短暫存在的原子級結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)變步驟。 AI驅(qū)動的無監(jiān)督去噪方法與原位電子顯微鏡的結(jié)合，為研究原子結(jié)構(gòu)動態(tài)和穩(wěn)定性提供了新方法。這項(xiàng)研究不僅有助于理解靜態(tài)原子結(jié)構(gòu)與功能性之間的關(guān)系，還為探索局部結(jié)構(gòu)動態(tài)提供了新的視角，從而推動基礎(chǔ)材料科學(xué)的發(fā)展。Peter A. Crozier et al. ,Visualizing nanoparticle surface dynamics and instabilities enabled by deep denoising.Science387,949-954(2025).DOI:10.1126/science.ads2688
