首次在四维时空中捕捉到原子的运动

  从物质的一种状态到另一种状态的日常转变(例如冻结、融化或蒸发)始于一个称为“成核”的过程,在这个过程中,微小的原子或分子簇(称为“核”)开始合并。成核在各种环境中起着至关重要的作用,如云的形成和神经退行性疾病的发生。一个由加州大学洛杉矶分校领导的研究小组获得了一个前所未见,关于核的观点——捕捉原子在四维时空(4-D)原子分辨率下(即在三维空间和时间上)如何重新排列。

  发表在《自然》(Nature)上的这一发现,与教科书上长期出现基于经典成核理论的预测不同。加州大学洛杉矶分校物理学和天文学教授、频闪仪国家科学基金会科学技术中心副主任约翰·缪说:这确实是一个开创性的实验——不仅能够高精度地定位和识别单个原子,而且还首次在四维时空中监测它们的运动。该团队的研究,包括来自劳伦斯伯克利国家实验室、科罗拉多大学博尔德分校、布法罗大学和内华达大学雷诺分校的合作者,建立在先前研究小组开发的强大成像技术的基础上。

  这种方法被称为“原子电子断层扫描”,使用位于伯克利实验室分子铸造厂的最先进的电子显微镜,用电子成像样品。样品被旋转,就像CAT扫描产生人体的三维x射线一样,原子电子断层扫描产生令人惊叹的材料中原子三维图像。研究了一种铁铂合金,这种合金可以形成纳米粒子,这种纳米粒子非常小,需要超过10000个纳米粒子并排放置,才能跨越人类头发的宽度。为了研究成核过程,科学家们将纳米颗粒加热到520摄氏度。并分别在9分钟、16分钟和26分钟后拍照,在那个温度下,合金在两种不同的固相之间发生转变。

  尽管合金在这两种状态下肉眼看起来是一样的,但近距离观察表明,三维原子排列是不同的。加热后,结构由杂乱的化学状态转变为更有序的结构,铁和铂原子层交替出现。合金变化可以与解决魔方相比较——混合相的所有颜色随机混合,而有序相的所有颜色对齐,研究小组在一个纳米颗粒内追踪了同样的33个核——有些小到13个原子。人们认为大海捞针很困难,在超过一万亿个原子中,在三个不同的时间里找到同一个原子有多难?

  结果令人惊讶,因为它们与经典的成核理论相矛盾。那个理论认为原子核是完全圆的。相比之下,在这项研究中,原子核形成了不规则的形状。该理论还表明原子核有一个尖锐的边界。相反,研究人员观察到,每个原子核都包含一个核心原子,这些原子已经变成了新的有序相,但这种排列变得越来越杂乱,越来越靠近原子核的表面。经典成核理论还指出,一旦原子核达到特定的尺寸,它只会从那里变得更大。

  但这个过程似乎要复杂得多:除了生长,研究中的细胞核还缩小、分裂和合并,一些完全溶解。在许多领域,成核基本上都是一个未解决的问题,一旦你能想象一些东西,就能开始思考如何控制它。这些发现提供了直接的证据,证明经典成核理论不能准确地描述原子水平上的现象。有关成核的发现可能会影响物理、化学、材料科学、环境科学和神经科学等广泛领域的研究。通过捕捉原子随时间的运动,这项研究为研究广泛的材料、化学和生物现象开辟了新的途径,这是一革命性的研究成果!

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