科学家首次测定金属玻璃中原子的三维位置

玻璃在我们的日常生活中无处不在,然而在原子尺度上,人们对玻璃的理解仍然十分有限。比如,1960年科学家们发明了金属玻璃,它又可以叫做非晶态合金,具有无序的原子结构和独特的玻璃-过冷液体转变的性质。它既有金属和玻璃的优点,又克服了它们各自的弊病,比如玻璃易碎,没有延展性。而金属玻璃的强度高于钢,且具有一定的韧性和刚性。所以,金属玻璃又被为“敲不碎、砸不烂”的“玻璃之王”。

科学家首次测定金属玻璃中原子的三维位置

然而,正是由于他们的长程无序特征,金属玻璃的3D原子结构无法通过常规的晶体学确定。要知道,如果已知某个材料中每个原子的化学元素和3 D位置,那么科学家们便可以通过三维坐标,了解精确的原子结构以及该结构如何为材料提供其属性,从而开发更多的功能和应用。因此,识别金属玻璃的原子结构成为晶体科学家和材料学家九十多年来一直追求的梦想!尽管近年来,诸多的实验和计算方法已经被用于研究金属玻璃结构,但是迄今为止,还没有一种试验方法能够直接确定金属玻璃中所有3D原子的位置。

2021年4月1日凌晨,美国加州大学洛杉矶分校(UCLA)华人科学家苗建伟教授团队在《Nature》发文称,团队在国际上首次实现了对金属玻璃中所有原子的3D位置的实验测定。团队使用了一种名为原子分辨电子断层扫描技术(AET)完成了这一壮举,成功通过实验确定了金属玻璃中18000多个原子的精确位置,精度可达21 pm(万亿分之一米)!

AET技术为确定材料3D原子结构带来了曙光

原子分辨电子断层成像术(AET)于2012年由Van Dyck 和陈福荣等人首次报道, 该方法基于单一投影方向上的系列欠焦高分辨透射电子显微图像和出射波重构技术, 辅以特定的三维重构算法, 可以实现在原子尺度上获得材料三维结构信息。简单来说,就是从多个角度对二维粒子进行成像,然后依靠复杂的计算机算法将一系列二维投影转换为粒子的三维图像重建。UCLA的华人科学家苗建伟教授一直致力于利用各种光谱学手段(尤其是AET技术)解析材料的3D原子结构,并在该领域陆续取得重大进展,研究成果多次登上《Nature》正刊。2019年,苗建伟教授团队利用AET技术和新开发的算法,首次在一个铁铂纳米粒子中观测到6569个铁原子和16627个铂原子的精确位置!

如何确定金属玻璃中3D原子的精确位置

首先,研究人员通过具有高冷却速率的碳热冲击技术合成了具有多金属成分的玻璃纳米粒子,该纳米粒子纳米颗粒由八种元素组成:Co,Ni,Ru,Rh,Pd,Ag,Ir和Pt。

随后,研究人员使用AET技术将8种元素分为三种不同类型:Co和Ni为第一类; Ru,Rh,Pd和Ag为第二类;Ir和Pt为第三类。分类后,研究人员获得了纳米粒子的3D原子模型,该模型分别由8322、6896和3138个第一、二和三类型原子组成。

接着,为了验证重建,原子追踪和分类过程,研究人员使用多层仿真从实验原子模型生成了55张图像,随后重构,原子追踪和分类程序,从55个多层图像中获得了一个新的3D原子模型。通过比较两个模型发现,研究人员正确地识别了高达97.37%的原子,且其3D精度高达21 pm

金属玻璃中的3D原子结构

使用多组分玻璃形成合金作为原理证明,研究人员定量表征了金属玻璃纳米粒子中3D原子排列的短程和中程顺序。研究发现,尽管短程有序的3D原子堆积在几何上是无序的,但部分短程有序的结构会彼此连接,形成晶体状的超团簇从而产生中距离有序。这与之前科学家们猜想的结构略有出入。同时,研究人员确定了非晶合金材料中具有四种类型的晶状中程有序结构:面心立方,六方密堆积,体心立方和简单立方。值得注意的是,这些实验结果为目前金属玻璃的有效团簇包裹模型提供了直接的实验证据,在该模型中,溶质原子(在玻璃中少量存在的溶质原子)位于溶剂原子簇的中心(占大多数原子)。这些团簇充当“超原子”,它们以大于原子尺度的长度尺度紧密地堆积在一起,从而形成玻璃结构

毫无疑问,了解每一个原子之间的确切位置能够可以帮助科学家预测晶体是如何生成的。更何况是得到如此精确的图像,将来必定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。这项工作有望为确定各种非晶态固体的3D结构铺平道路,从而提高人们对开发新型金属玻璃的见识,并加深人们对非晶和结构各向异性玻璃之类的非常规材料的基本理解。此外,该工作还可以为表征玻璃结构缺陷的技术开辟了新的道路,为设计更好的多功能材料迈出了坚实的第一步。

参考Yang, Y., Zhou, J., Zhu, F. et al. Determining the three-dimensional atomic structure of an amorphous solid. Nature 592, 60–64 (2021). https://doi.org/10.1038/s41586-021-03354-0

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