3D成像研究揭示了原子如何堆积在无定形材料中

然而，更多的物质——包括橡胶、玻璃和大多数液体——始终缺乏这种基本顺序，因此很难确定它们的分子结构。迄今为止，对这些无定形物质的理解几乎完全基于理论模型和间接实验。

加州大学洛杉矶分校领导的研究团队正在改变这种状况。使用他们开发的一种方法来绘制三个维度的原子结构，科学家们直接观察了原子如何堆积在无定形材料样品中。今天发表在《自然材料》杂志上的研究结果可能会强制重写传统模型，并为使用这些物质的未来材料和设备的设计提供信息。

“我们相信这项研究将对未来对无定形固体和液体的理解产生非常重要的影响——它们是地球上最丰富的物质之一，”该研究的资深作者、加州大学洛杉矶分校教授苗建伟说。物理学和天文学，加州大学洛杉矶分校加州纳米系统研究所的成员。“了解基本结构可能会导致技术的巨大进步。”

从 1952 年英国物理学家弗雷德里克查尔斯弗兰克的工作开始，流行的科学理解是液体或无定形固体中的原子和分子通常组合成 13 个组。该模型认为它们被配置为由一个中心原子或分子包围由另外 12 个 - 围绕中心粒子的两个五个环，另一个覆盖顶部，一个覆盖底部。

为了模拟原子团或分子团如何在更大的尺度上组合在一起，科学家将这 13 个团块概念化为 3D 形状，将每个外部粒子视为一个角并将点连接起来，从而形成具有 20 个三角形面的固体，称为二十面体，任何龙与地下城玩家都熟悉的 20 面骰子形状。

不过，缪和他的同事发现了一些不同的东西。

该团队使用原子电子断层扫描技术分析了三个非晶态金属物体。这种强大的成像方法向样品发射电子，并在电子通过时对其进行测量，在样品旋转时多次捕获数据，以便计算机算法可以构建 3D 图像。

研究人员发现，只有很小一部分原子形成了 13 个二十面体组。相反，最常见的排列是 7 个一组，五个在一个中心层，一个在顶部，一个在底部，没有中心原子——研究人员将这种形状描述为五边形双锥体，具有 10 个三角形面。他们还观察到，这些五边形双锥体形成了边缘经常共享的网络。

“自从弗兰克的论文以来，科学界一直认为二十面体顺序是液体或无定形固体中最重要的结构主题，”苗说。“但到目前为止，没有其他人能够绘制出所有原子的位置并进行检查。我们发现五边形双锥体是最普遍的图案。大自然似乎更喜欢将其组合在一起。”

这种组合的优势在研究人员研究的样本中是一致的，为了简单起见，他们选择了在基本尺度上作为单个原子存在的材料。所检查的材料是一种由钽制成的薄膜，钽是一种用于电子元件的稀有金属，以及两种由钯制成的纳米颗粒，钯是一种对降低汽车尾气毒性的催化转化器很重要的金属。

该团队还使用他们的实验数据作为计算机模拟的基础，模拟当钽熔化然后快速冷却时会发生什么，从而不会形成晶体，从而产生所谓的金属玻璃。在模拟中，钽原子以液体和玻璃的形式类似地比任何其他形状更频繁地填充到五边形双锥体网络中。

这些发现可能会促使我们重新考虑科学物理模型的某些方面。由于非晶材料被集成到某些半导体和包括太阳能电池板在内的众多设备中，因此这项研究可能是用涉及这些材料的有目的的设计取代反复试验的早期步骤。

“这项工作，连同我们最近关于非晶材料的自然论文，可能与一个多世纪前科学首次揭示盐晶体的 3D原子结构的影响相当，”苗说。