Les scientifiques ont utilisé l'un des microscopes électroniques les plus puissants au monde pour cartographier l'emplacement précis et le type chimique de 23, 000 atomes dans une particule extrêmement petite faite de fer et de platine.

La reconstruction 3-D révèle l'arrangement des atomes avec des détails sans précédent, permettant aux scientifiques de mesurer l'ordre chimique et le désordre dans les grains individuels, qui met en lumière les propriétés du matériau au niveau d'un seul atome. Les informations tirées de la structure de la particule pourraient conduire à de nouvelles façons d'améliorer ses performances magnétiques pour une utilisation à haute densité, disques durs de nouvelle génération.

Quoi de plus, la technique utilisée pour créer la reconstruction, la tomographie électronique atomique (qui ressemble à un tomodensitogramme à très haute résolution), pose les bases d'une cartographie précise de la composition atomique d'autres nanoparticules utiles. Cela pourrait révéler comment optimiser les particules pour des catalyseurs plus efficaces, matériaux plus résistants, et des marqueurs fluorescents de détection de maladies.

Les données de microscopie ont été obtenues et analysées par des scientifiques du Lawrence Berkeley National Laboratory (Berkeley Lab) du Department of Energy de la Molecular Foundry, en collaboration avec les utilisateurs de Foundry de l'UCLA, Laboratoire national d'Oak Ridge, et l'Université de Birmingham au Royaume-Uni. La recherche est rapportée le 2 février dans le journal La nature .

Les atomes sont les éléments constitutifs de la matière, et les motifs dans lesquels ils sont disposés dictent les propriétés d'un matériau. Ces modèles peuvent également être exploités pour améliorer considérablement la fonction d'un matériau, c'est pourquoi les scientifiques sont impatients de déterminer la structure 3-D des nanoparticules à la plus petite échelle possible.

"Notre recherche est un grand pas dans cette direction. Nous pouvons maintenant prendre un instantané qui montre les positions de tous les atomes d'une nanoparticule à un moment précis de sa croissance. Cela nous aidera à apprendre comment les nanoparticules se développent atome par atome, et il ouvre la voie à une approche de conception de matériaux à partir des plus petits éléments constitutifs, " dit Mary Scott, qui a mené la recherche alors qu'elle était utilisatrice de Foundry, et qui est maintenant un scientifique du personnel. Scott et ses collègues scientifiques de la fonderie Peter Ercius et Colin Ophus ont développé la méthode en étroite collaboration avec Jianwei Miao, professeur de physique et d'astronomie à l'UCLA.

Leur reconstruction de nanoparticules s'appuie sur une réalisation qu'ils ont signalée l'année dernière dans laquelle ils ont mesuré les coordonnées de plus de 3, 000 atomes dans une aiguille de tungstène avec une précision de 19 trillionièmes de mètre (19 picomètres), qui est plusieurs fois plus petit qu'un atome d'hydrogène. Maintenant, ils ont pris la même précision, ajouté la possibilité de distinguer différents éléments, et agrandi la reconstruction pour inclure des dizaines de milliers d'atomes.

Surtout, leur méthode cartographie la position de chaque atome dans un seul, nanoparticule unique. En revanche, La cristallographie aux rayons X et la cryomicroscopie électronique tracent la position moyenne des atomes de nombreux échantillons identiques. Ces méthodes font des hypothèses sur l'arrangement des atomes, ce qui ne convient pas aux nanoparticules car il n'y en a pas deux identiques.

"Nous devons déterminer l'emplacement et le type de chaque atome pour vraiment comprendre comment une nanoparticule fonctionne à l'échelle atomique, " dit Ercius.

Une approche ÉQUIPE

La dernière réalisation des scientifiques reposait sur l'utilisation de l'un des microscopes électroniques à transmission la plus haute résolution au monde, appelé TEAM I. Il est situé au Centre National de Microscopie Electronique, qui est une installation de fonderie moléculaire. Le microscope balaye un échantillon avec un faisceau focalisé d'électrons, puis mesure comment les électrons interagissent avec les atomes de l'échantillon. Il possède également une platine à commande piézo qui positionne les échantillons avec une stabilité et une précision de contrôle de position inégalées.

Les chercheurs ont commencé à cultiver une nanoparticule de fer-platine à partir de ses éléments constitutifs, puis a arrêté la croissance de la particule avant qu'elle ne soit complètement formée. Ils ont placé la particule "partiellement cuite" dans l'étape TEAM I, obtenu une projection 2-D de sa structure atomique, l'a fait pivoter de quelques degrés, obtenu une autre projection, etc. Chaque projection 2D fournit un peu plus d'informations sur la structure 3D complète de la nanoparticule.

Ils ont envoyé les projections à Miao à UCLA, qui a utilisé un algorithme informatique sophistiqué pour convertir les projections 2D en une reconstruction 3D de la particule. Les coordonnées atomiques individuelles et les types chimiques ont ensuite été tracés à partir de la densité 3-D en sachant que les atomes de fer sont plus légers que les atomes de platine. La structure atomique résultante contient 6, 569 atomes de fer et 16, 627 atomes de platine, avec les coordonnées de chaque atome tracées avec précision à moins de la largeur d'un atome d'hydrogène.