Un verre, le caoutchouc et les plastiques appartiennent tous à une classe de matières appelée solides amorphes. Et malgré leur fréquence dans notre vie de tous les jours, 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, qui a conduit à une myriade de progrès en physique, chimie, la biologie, la science des matériaux, géologie, nanosciences, découverte de médicaments et plus encore. Mais parce que les solides amorphes ne sont pas assemblés en rigide, les structures atomiques répétitives comme les cristaux sont, ils ont défié la capacité des chercheurs à déterminer leur structure atomique avec le même niveau de précision.

Jusqu'à maintenant, C'est.

Une étude dirigée par l'UCLA dans la revue La 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, pourtant la majeure partie de la matière sur Terre n'est pas 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 de l'UCLA.

Observer l'arrangement atomique en 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, " il a dit.

Les verres métalliques ont tendance à être à la fois plus solides et plus modelables 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 envoyer des électrons à travers un échantillon et à collecter une image de l'autre côté. L'échantillon est tourné de sorte que les mesures puissent être prises sous plusieurs angles, produisant des données qui sont assemblées pour produire une image 3D.

« Nous avons combiné la microscopie électronique de pointe avec des algorithmes et des techniques d'analyse puissants pour étudier les structures jusqu'au niveau des atomes uniques, " a déclaré le co-auteur Peter Ercius, scientifique à la fonderie moléculaire du Laboratoire national Lawrence Berkeley, où l'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.) À l'aide de 55 images de tomographie électronique atomique, Miao et ses collègues ont créé une carte 3D des environ 18, 000 atomes qui composent la nanoparticule.

Parce que les solides amorphes ont été si difficiles à caractériser, les chercheurs s'attendaient à ce que les atomes soient arrangés de manière chaotique. Et bien qu'environ 85 % des atomes soient dans un arrangement désordonné, les chercheurs ont pu identifier des poches où une fraction d'atomes s'est fusionnée en superamas ordonnés. La découverte a démontré que même dans un solide amorphe, l'arrangement des atomes n'est pas complètement aléatoire.

Miao a reconnu une limite de la recherche, né des 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. Aux fins de l'étude, les chercheurs ont regroupé les métaux en trois catégories, unir les voisins du tableau périodique des éléments :cobalt et nickel dans la première catégorie; ruthénium, rhodié, palladium et 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, " dit Charles Ying, le 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 aborder ce type de projet de recherche complexe."

Les co-premiers auteurs de l'étude sont l'étudiant diplômé Yao Yang, ancien assistant scientifique du projet Jihan Zhou, ancien chercheur postdoctoral Fan Zhu, et chercheur postdoctoral Yakun Yuan, tous les 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 boursiers postdoctoraux Dennis Kim et Xuezeng Tian; professeur adjoint 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, Parc du Collège ; et Andreas Schmid et Peter Ercius du Lawrence Berkeley National Laboratory.

"Ce travail est une excellente illustration de la façon de relever de grands défis de longue date en réunissant des scientifiques avec de nombreux horizons différents en physique, mathématiques, science des matériaux et de l'imagerie, avec des partenariats forts entre universités et laboratoires nationaux, " a déclaré Margaret Murnane, directeur du centre STROBE. "C'est une équipe spectaculaire."