Les atomes sont les éléments constitutifs de toute matière sur Terre, et les modèles dans lesquels ils sont disposés dictent la force, conducteur ou flexible un matériau sera. Maintenant, des scientifiques de l'UCLA ont utilisé un puissant microscope pour imager les positions tridimensionnelles d'atomes individuels avec une précision de 19 billions de mètre, qui est plusieurs fois plus petit qu'un atome d'hydrogène.

Leurs observations permettent, pour la première fois, d'inférer les propriétés macroscopiques des matériaux sur la base de leurs arrangements structurels d'atomes, qui guidera la façon dont les scientifiques et les ingénieurs construisent des composants d'avions, par exemple. La recherche, dirigé par Jianwei (John) Miao, professeur de physique et d'astronomie à l'UCLA et membre du California NanoSystems Institute de l'UCLA, est publié le 21 septembre dans l'édition en ligne de la revue Matériaux naturels .

Depuis plus de 100 ans, les chercheurs ont déduit comment les atomes sont disposés dans l'espace tridimensionnel en utilisant une technique appelée cristallographie aux rayons X, qui consiste à mesurer la dispersion des ondes lumineuses d'un cristal. Cependant, La cristallographie aux rayons X ne donne des informations que sur les positions moyennes de plusieurs milliards d'atomes dans le cristal, et non sur les coordonnées précises des atomes individuels.

"C'est comme prendre une moyenne de personnes sur Terre, " dit Miao. " La plupart des gens ont une tête, deux yeux, un nez et deux oreilles. Mais une image de la personne moyenne sera toujours différente de vous et moi."

Parce que la cristallographie aux rayons X ne révèle pas la structure d'un matériau par atome, la technique ne permet pas d'identifier de minuscules imperfections dans les matériaux telles que l'absence d'un seul atome. Ces imperfections, connu sous le nom de défauts ponctuels, peut affaiblir les matériaux, ce qui peut être dangereux lorsque les matériaux sont des composants de machines comme les moteurs à réaction.

"Les défauts ponctuels sont très importants pour la science et la technologie modernes, " dit Miao.

Miao et son équipe ont utilisé une technique connue sous le nom de microscopie électronique à transmission à balayage, dans lequel un faisceau d'électrons plus petit que la taille d'un atome d'hydrogène est balayé sur un échantillon et mesure combien d'électrons interagissent avec les atomes à chaque position de balayage. La méthode révèle la structure atomique des matériaux car différents arrangements d'atomes font interagir les électrons de différentes manières.

Cependant, les microscopes électroniques à balayage à transmission ne produisent que des images bidimensionnelles. Ainsi, pour créer une image en 3D, les scientifiques doivent numériser l'échantillon une fois, inclinez-le de quelques degrés et re-numérisez-le, en répétant le processus jusqu'à ce que la résolution spatiale souhaitée soit atteinte, avant de combiner les données de chaque numérisation à l'aide d'un algorithme informatique. L'inconvénient de cette technique est que le rayonnement répété du faisceau d'électrons peut progressivement endommager l'échantillon.

À l'aide d'un microscope électronique à transmission à balayage à la fonderie moléculaire du Lawrence Berkeley National Laboratory, Miao et ses collègues ont analysé un petit morceau de tungstène, un élément utilisé dans les ampoules à incandescence. Comme l'échantillon a été incliné 62 fois, les chercheurs ont pu assembler lentement un modèle 3-D de 3, 769 atomes dans la pointe de l'échantillon de tungstène.

L'expérience prenait du temps car les chercheurs devaient attendre plusieurs minutes après chaque inclinaison pour que la configuration se stabilise.

"Nos mesures sont si précises, et toute vibration, comme une personne qui passe, peut affecter ce que nous mesurons, " dit Pierre Ercius, un scientifique du Lawrence Berkeley National Laboratory et un auteur de l'article.

Les chercheurs ont comparé les images du premier et du dernier scan pour vérifier que le tungstène n'avait pas été endommagé par le rayonnement, grâce à l'énergie du faisceau d'électrons étant maintenue en dessous du seuil d'endommagement du tungstène par rayonnement.

Miao et son équipe ont montré que les atomes de la pointe de l'échantillon de tungstène étaient disposés en neuf couches, dont le sixième contenait un défaut ponctuel. Les chercheurs pensent que le défaut était soit un trou dans une couche d'atomes autrement remplie, soit un ou plusieurs atomes imbriqués d'un élément plus léger tel que le carbone.

Quelle que soit la nature du défaut ponctuel, la capacité des chercheurs à détecter sa présence est importante, démontrant pour la première fois que les coordonnées des atomes individuels et des défauts ponctuels peuvent être enregistrées en trois dimensions.

"Nous avons fait une grande percée, " dit Miao.

Miao et son équipe prévoient de s'appuyer sur leurs résultats en étudiant comment les atomes sont disposés dans des matériaux qui possèdent des fonctions de magnétisme ou de stockage d'énergie, qui aidera à éclairer notre compréhension des propriétés de ces matériaux importants à l'échelle la plus fondamentale.

"I think this work will create a paradigm shift in how materials are characterized in the 21st century, " he said. "Point defects strongly influence a material's properties and are discussed in many physics and materials science textbooks. Our results are the first experimental determination of a point defect inside a material in three dimensions."