UCLA teadlased suudavad nüüd piiluda maailma väikseimate struktuuride sisse, et jäädvustada üksikute aatomite asukohast kolmedimensionaalseid pilte. Oma uurimuses, mis avaldati 22. märtsil teadusajakirjas Nature, esitavad nad uue meetodi nanomaterjalide aatomstruktuuri otseseks mõõtmiseks.
Jianwei Miao ning kolleegid töötasid välja elektrontomograafia meetodi, mille abil pildistasid nad kulla nanoosakest kolmedimensionaalselt 2,4 ongströmilise resolutsiooniga. Mõndades osades on näha üksikuid aatomeid ning ka mitmed kristallikesi. Kujutisel moodustavad neli kolmedimensionaalset kristallikest (roheline ja kuldne, sinine ja punane) nanoosakese sees kaks kaksikpiirjoonte paari. Pilt: Jianwei Miao/UCLA Physics & Astronomy, CNSI
,,See on esimene eksperiment, milles me saame otseselt näha lokaalseid struktuure kolmes mõõtmes ning aatomskaala resolutsiooniga – seda pole varem tehtud,” ütles Jianwei (John) Miao, üks uurimuse läbi viinud teadlasi. Miao ning kolleegid kasutasid läbivelektron-raster-mikroskoopi, et juhatada kitsas kõrge energiaga elektronide kiir üle vaid 10 nanomeetrise läbimõõduga kulla osakese. Nanoosake ise koosnes tuhandetest üksikutest kulla aatomitest – igaüks umbes miljon korda väiksem kui inimese juuksekarva läbimõõt. Need aatomid asuvad katseeksemplari läbivate elektronidega vastastikmõjju, heites varjusid, mis annavad mikroskoobi all olevale detektorile informatsiooni nanoosakeste sisestruktuurist, kirjutab Physorg.com.
Miao töörühm avastas, et kui mõõta 69 erineva nurga alt, siis saab kõikide varjude kombineeritud andmed panna kokku, saades nanoosakese sisemuse kolmemõõtmelise rekonstruktsiooni. Selle meetodi abil, mida tuntakse elektrontomograafia nime all, võis Miao töörühm näha otseselt üksikuid aatomeid ning nende asukohti kindlas kulla nanoosakeses.
Hetkel on molekulaarstruktuuride kolmedimensionaalse aatomskaalas visualiseerimise peamiseks meetodiks röntgenkristallograafia. See meetod hõlmab aga mitmete peaaegu identsete näidiste mõõtmist ning tulemuste keskmistamist. Röntgenkristallograafia võtab tüüpiliselt keskmise üle miljardite molekulide, mis põhjustab mõningase informatsiooni kadumist protsessis.
,,See on just nagu see, kui võtta kogu maailma inimeste keskmine, et saada ettekujutus inimese välimusest – iga üksikisiku unikaalsed omadused jäävad täiesti kõrvale,” selgitas Miao.
Röntgenkristallograafia on täiuslike kristallide struktuuri paljastamiseks võimas meetod, kuid enamik looduses esinevaid stuktuure on mittekristallilised, omades vähem korrastatud sisestruktuuri.
,,Meie praegune tehnoloogia põhineb peamiselt kristallstruktuuridel, sest me suudame neid analüüsida,” ütles Miao. ,,Mittekristalliliste struktuuride kohta pole seni tehtud aga ühtki otsest eksperimenti, milles nende aatomstruktuur kolmedimensionaalselt näha oleks.”
Mittekristalliliste materjalide uurimine on oluline, sest isegi väikseimad ebakorrapärasused selle struktuuris võivad materjali elektrilisi omadusi tunduvalt mõjutada. Võime pooljuhi sisemust täpselt uurida võib näiteks paljastada sisemisi vigu, mis selle tööomadusi halvendavad.
,,Mittekristalliliste struktuuride kolmedimensionaalne aatomiline resolutsioon jääb füüsikateadustes suureks lahendamata probleemiks,” lausus ta.
Miao ning kolleegis pole veel mittekristallilisuse probleemi täiesti lahendanud, kuid nad näitasid, et nad suudavad jäädvustada pildile 2,4 ongströmi resolutsioonilise (kulla aatomi keskmine suurus on 2,8 ongströmi) struktuuri, mis pole täiuslikult kristalliline. Oma teadusartikli jaoks mõõdetud kulla nanoosake koosnes hoopiski mitmest erinevast kristallist, moodustades kokku pusle, milles aatomid olid veidi erinevalt järjestatud. Peidetud kristalliliste osade ning piirjoontega nanostruktuurid käituvad teisiti, kui pidevast kristallist valmistatud materjalid – teised meetodid poleks suutnud seda kolmes mõõtmes visualiseerida.
Lisaks leidis Miao töörühm, et nende uuritud väike kullatükk oli tegelikult mitmetahulise vääriskivi kujuline, olles küll ühelt küljelt veidi rohkem sile, sest see asus hiiglasliku mikroskoobi lamedal pinnal – see on teine väike detail, mis oleks traditsioonilisemate meetoditega võinud keskmistuda.
Miao töörühma tehtud avastus võib viia erinevate teadusvaldkondade tomograafiauuringute resolutsiooni ning pildikvaliteedi paranemiseni.
Teadusartikkel: “Electron tomography at 2.4-ångström resolution“
Leave a Reply