Problème centenaire résolu avec l’imagerie atomique 3D d’un solide amorphe – Technoguide

Le verre, le caoutchouc et les plastiques appartiennent tous à une classe de matières appelées solides amorphes. Et malgré leur fréquence d’utilisation dans notre vie quotidienne, les solides amorphes ont longtemps posé un défi aux scientifiques.

Depuis les années 1910, les scientifiques ont pu cartographier en 3D les structures atomiques des cristaux, l’autre grande classe de solides, ce qui a conduit à une myriade d’avancées en physique, chimie, biologie, science des matériaux, géologie, nanosciences, découverte de médicaments et plus encore. Mais comme les solides amorphes ne sont pas assemblés dans des structures atomiques rigides et répétitives comme le sont les cristaux, ils ont défié la capacité des chercheurs à déterminer leur structure atomique avec le même niveau de précision.

Jusqu’à présent, c’est.

Une étude menée par l’UCLA dans la revue Nature rapporte la toute première détermination de la structure atomique 3D d’un solide amorphe – dans ce cas, un matériau appelé verre métallique.

“Nous en savons tellement sur les cristaux, mais la plupart de la matière sur Terre est non cristalline et nous en savons si peu sur leur structure atomique”, a déclaré l’auteur principal de l’étude, Jianwei “John” Miao, professeur de physique et d’astronomie à l’UCLA et membre du California NanoSystems Institute à UCLA.

Observer l’arrangement atomique 3D d’un solide amorphe est le rêve de Miao depuis qu’il est étudiant diplômé. Ce rêve est maintenant réalisé, après 22 ans de poursuite incessante.

«Cette étude vient d’ouvrir une nouvelle porte», a-t-il déclaré.

Les verres métalliques ont tendance à être à la fois plus solides et plus malléables que les métaux cristallins standard, et ils sont utilisés aujourd’hui dans des produits allant des transformateurs électriques aux clubs de golf haut de gamme et aux boîtiers pour ordinateurs portables Apple et autres appareils électroniques. Comprendre la structure atomique des verres métalliques pourrait aider les ingénieurs à concevoir des versions encore meilleures de ces matériaux, pour un éventail encore plus large d’applications.

Les chercheurs ont utilisé une technique appelée tomographie électronique atomique, un type d’imagerie 3D mis au point par Miao et ses collaborateurs. L’approche consiste à diffuser des électrons à travers un échantillon et à collecter une image de l’autre côté. L’échantillon est tourné afin que les mesures puissent être prises sous plusieurs angles, ce qui donne des données qui sont assemblées pour produire une image 3D.

«Nous avons combiné la microscopie électronique de pointe avec de puissants algorithmes et des techniques d’analyse pour étudier les structures jusqu’au niveau des atomes uniques», a déclaré le co-auteur Peter Ercius, un scientifique du Lawrence Berkeley National Laboratory’s Molecular Foundry, où le expérience a été menée. “La connaissance directe des structures amorphes à ce niveau change la donne pour les sciences physiques.”

Les chercheurs ont examiné un échantillon de verre métallique d’environ 8 nanomètres de diamètre, composé de huit métaux différents. (Un nanomètre est un milliardième de mètre.) En utilisant 55 images de tomographie électronique atomique, Miao et ses collègues ont créé une carte 3D des quelque 18 000 atomes qui composaient la nanoparticule.

Parce que les solides amorphes ont été si difficiles à caractériser, les chercheurs s’attendaient à ce que les atomes soient disposés de manière chaotique. Et bien qu’environ 85% des atomes étaient dans un arrangement désordonné, les chercheurs ont pu identifier des poches où une fraction d’atomes se sont fusionnés en superagrégats ordonnés. La découverte a démontré que même dans un solide amorphe, la disposition des atomes n’est pas complètement aléatoire.

Miao a reconnu une limite de la recherche, due aux limites de la microscopie électronique elle-même. Certains des atomes métalliques étaient si similaires en taille que l’imagerie électronique ne pouvait pas les distinguer. Pour les besoins de l’étude, les chercheurs ont regroupé les métaux en trois catégories, unissant les voisins du tableau périodique des éléments: le cobalt et le nickel dans la première catégorie; le ruthénium, le rhodium, le palladium et l’argent dans le second; et l’iridium et le platine dans le troisième.

La recherche a été financée principalement par le STROBE National Science Foundation Science and Technology Center, dont Miao est directeur adjoint, et en partie par le Département américain de l’énergie.

«Ce résultat révolutionnaire illustre la puissance d’une équipe transdisciplinaire», a déclaré Charles Ying, responsable du programme de la National Science Foundation qui supervise le financement du centre STROBE. “Cela démontre la nécessité d’un soutien à long terme d’un centre pour faire face à ce type de projet de recherche complexe.”

Les co-premiers auteurs de l’étude sont l’étudiant diplômé Yao Yang, l’ancien assistant scientifique du projet Jihan Zhou, l’ancien chercheur postdoctoral Fan Zhu et le chercheur postdoctoral Yakun Yuan, tous membres actuels ou anciens du groupe de recherche de Miao à l’UCLA. Les autres co-auteurs de l’UCLA sont les étudiants diplômés Dillan Chang et Arjun Rana; les anciens chercheurs postdoctoraux Dennis Kim et Xuezeng Tian; professeur adjoint de mathématiques Minh Pham; et le professeur de mathématiques Stanley Osher.

Les autres co-auteurs sont Yonggang Yao et Liangbing Hu de l’Université du Maryland, College Park; et Andreas Schmid et Peter Ercius du Lawrence Berkeley National Laboratory.

«Ce travail est une excellente illustration de la manière de relever les grands défis de longue date en rassemblant des scientifiques ayant de nombreux antécédents différents en physique, en mathématiques, en sciences des matériaux et en imagerie, avec des partenariats solides entre les universités et les laboratoires nationaux», a déclaré Margaret Murnane, directrice du STROBE centre. “C’est une équipe spectaculaire.”

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