Les transitions quotidiennes d'un état de la matière à un autre, comme le gel, fusion ou évaporation - commencez par un processus appelé "nucléation, " dans lequel de minuscules amas d'atomes ou de molécules (appelés "noyaux") commencent à fusionner. La nucléation joue un rôle essentiel dans des circonstances aussi diverses que la formation de nuages ​​et l'apparition de maladies neurodégénératives.

Une équipe dirigée par l'UCLA a acquis une vision inédite de la nucléation, capturant la façon dont les atomes se réorganisent à une résolution atomique 4D (c'est-à-dire dans les trois dimensions de l'espace et dans le temps). Les résultats, publié dans la revue La nature , diffèrent des prédictions basées sur la théorie classique de la nucléation qui est depuis longtemps apparue dans les manuels.

« Il s'agit vraiment d'une expérience révolutionnaire :non seulement nous localisons et identifions des atomes individuels avec une grande précision, mais aussi surveiller leur mouvement en 4-D pour la première fois, " a déclaré l'auteur principal Jianwei "John" Miao, professeur de physique et d'astronomie à l'UCLA, qui est le directeur adjoint du STROBE National Science Foundation Science and Technology Center et membre du California NanoSystems Institute de l'UCLA.

Recherche par l'équipe, qui comprend des collaborateurs du Lawrence Berkeley National Laboratory, Université du Colorado à Boulder, Université de Buffalo et l'Université du Nevada, Réno, s'appuie sur une puissante technique d'imagerie précédemment développée par le groupe de recherche de Miao. Cette méthode, appelé « tomographie électronique atomique, " utilise un microscope électronique de pointe situé à la fonderie moléculaire de Berkeley Lab, qui image un échantillon à l'aide d'électrons. L'échantillon est tourné, et de la même manière qu'un scanner CAT génère une radiographie tridimensionnelle du corps humain, La tomographie électronique atomique crée de superbes images 3D d'atomes dans un matériau.

Miao et ses collègues ont examiné un alliage fer-platine formé en nanoparticules si petites qu'il en faut plus de 10, 000 posés côte à côte pour couvrir la largeur d'un cheveu humain. Pour étudier la nucléation, les scientifiques ont chauffé les nanoparticules à 520 degrés Celsius, ou 968 degrés Fahrenheit, et a pris des images après 9 minutes, 16 minutes et 26 minutes. A cette température, l'alliage subit une transition entre deux phases solides différentes.

Bien que l'alliage ait la même apparence à l'œil nu dans les deux phases, un examen plus approfondi montre que les arrangements atomiques 3-D sont différents les uns des autres. Après chauffage, la structure passe d'un état chimique brouillé à un état plus ordonné, avec des couches alternées d'atomes de fer et de platine. Le changement dans l'alliage peut être comparé à la résolution d'un Rubik's Cube - la phase brouillée a toutes les couleurs mélangées au hasard, tandis que la phase ordonnée a toutes les couleurs alignées.

Dans un processus minutieux dirigé par les co-premiers auteurs et chercheurs postdoctoraux de l'UCLA Jihan Zhou et Yongsoo Yang, l'équipe a suivi les mêmes 33 noyaux - certains aussi petits que 13 atomes - dans une nanoparticule.

"Les gens pensent qu'il est difficile de trouver une aiguille dans une botte de foin, " Miao a dit. " Dans quelle mesure serait-il difficile de trouver le même atome dans plus d'un billion d'atomes à trois moments différents ? "

Les résultats étaient surprenants, car ils contredisent la théorie classique de la nucléation. Cette théorie soutient que les noyaux sont parfaitement ronds. Dans l'étude, par contre, les noyaux formaient des formes irrégulières. La théorie suggère également que les noyaux ont une frontière nette. Au lieu, les chercheurs ont observé que chaque noyau contenait un noyau d'atomes qui avait changé pour le nouveau, phase ordonnée, mais que l'arrangement devenait de plus en plus brouillé plus près de la surface du noyau.

La théorie classique de la nucléation stipule également qu'une fois qu'un noyau atteint une taille spécifique, il ne fait que grossir à partir de là. Mais le processus semble être bien plus compliqué que cela :en plus de grandir, les noyaux de l'étude se sont rétrécis, divisé et fusionné; certains se sont complètement dissous.

"La nucléation est fondamentalement un problème non résolu dans de nombreux domaines, " a déclaré le co-auteur Peter Ercius, un scientifique de la Molecular Foundry, une installation de nanosciences qui offre aux utilisateurs une instrumentation et une expertise de pointe pour la recherche collaborative. "Une fois que vous pouvez imaginer quelque chose, vous pouvez commencer à réfléchir à la façon de le contrôler."

Les résultats offrent une preuve directe que la théorie de la nucléation classique ne décrit pas avec précision les phénomènes au niveau atomique. Les découvertes sur la nucléation peuvent influencer la recherche dans un large éventail de domaines, y compris la physique, chimie, la science des matériaux, sciences de l'environnement et neurosciences.

"En capturant le mouvement atomique au fil du temps, cette étude ouvre de nouvelles voies pour étudier un large éventail de matériaux, phénomènes chimiques et biologiques, " a déclaré Charles Ying, responsable du programme de la National Science Foundation, qui supervise le financement du centre STROBE. "Ce résultat transformateur a nécessité des avancées révolutionnaires dans l'expérimentation, analyse et modélisation de données, un résultat qui a exigé la large expertise des chercheurs du centre et de leurs collaborateurs. »