Capturan por primera vez el movimiento atómico en 4D

Los resultados del estudio dirigido por UCLA contradicen una teoría clásica de larga data.

Las transiciones diarias de un estado de la materia a otra, como la congelación, fusión o evaporación, comienzan con un proceso llamado “nucleación”, en el que pequeños grupos de átomos o moléculas (llamados “núcleos”) comienzan a unirse. La nucleación desempeña un papel crítico en circunstancias tan diversas como la formación de nubes y la aparición de enfermedades neurodegenerativas.

Un equipo liderado por UCLA ha obtenido una vista nunca antes vista de la nucleación, que captura cómo los átomos se reorganizan en la resolución atómica 4D (es decir, en tres dimensiones del espacio y en el tiempo). Los hallazgos , publicados en la revista Nature, difieren de las predicciones basadas en la teoría clásica de la nucleación que ha aparecido durante mucho tiempo en los libros de texto.

“Este es verdaderamente un experimento innovador: no solo localizamos e identificamos átomos individuales con alta precisión, sino que también controlamos su movimiento en 4D por primera vez”, dijo el autor principal Jianwei “John” Miao, profesor de física y astronomía de la UCLA. quién es el director adjunto del Centro de Ciencia y Tecnología de la Fundación Nacional de Ciencia STROBE y miembro del Instituto de California NanoSystems en UCLA.

La investigación realizada por el equipo, que incluye colaboradores del Laboratorio Nacional Lawrence Berkeley, la Universidad de Colorado en Boulder, la Universidad de Buffalo y la Universidad de Nevada en Reno, se basa en una poderosa técnica de imagen desarrollada previamente por el grupo de investigación de Miao. Ese método, llamado “tomografía electrónica atómica”, utiliza un microscopio electrónico de última tecnología ubicado en Molecular Foundry de Berkeley Lab, que muestra una muestra utilizando electrones. La muestra se gira, y de la misma manera en que una exploración CAT genera una radiografía tridimensional del cuerpo humano, la tomografía electrónica atómica crea imágenes 3D impresionantes de átomos dentro de un material.

Miao y sus colegas examinaron una aleación de hierro-platino formada en nanopartículas tan pequeñas que se necesitan más de 10.000 tendidas una al lado de la otra para cubrir el ancho de un cabello humano. Para investigar la nucleación, los científicos calentaron las nanopartículas a 520 grados Celsius o 968 grados Fahrenheit, y tomaron imágenes después de 9 minutos, 16 minutos y 26 minutos. A esa temperatura, la aleación experimenta una transición entre dos fases sólidas diferentes.

Aunque la aleación se ve igual a simple vista en ambas fases, una inspección más cercana muestra que los arreglos atómicos 3D son diferentes entre sí. Después del calentamiento, la estructura cambia de un estado químico mezclado a uno más ordenado, con capas alternas de átomos de hierro y platino. El cambio en la aleación se puede comparar con la solución de un cubo de Rubik: la fase mezclada tiene todos los colores mezclados al azar, mientras que la fase ordenada tiene todos los colores alineados.

En un proceso minucioso dirigido por co-primeros autores y eruditos postdoctorales de la UCLA Jihan Zhou y Yongsoo Yang, el equipo rastreó los mismos 33 núcleos, algunos tan pequeños como 13 átomos, dentro de una nanopartícula.

“La gente piensa que es difícil encontrar una aguja en un pajar”, dijo Miao. “¿Qué tan difícil sería encontrar el mismo átomo en más de un billón de átomos en tres momentos diferentes?”

Los resultados fueron sorprendentes, ya que contradicen la teoría clásica de la nucleación. Esa teoría sostiene que los núcleos son perfectamente redondos. En el estudio, por el contrario, los núcleos formaban formas irregulares. La teoría también sugiere que los núcleos tienen un límite definido. En cambio, los investigadores observaron que cada núcleo contenía un núcleo de átomos que había cambiado a la nueva fase ordenada, pero que la disposición se hacía cada vez más y más cerca de la superficie del núcleo.

La teoría de la nucleación clásica también establece que una vez que un núcleo alcanza un tamaño específico, solo crece más desde allí. Pero el proceso parece ser mucho más complicado que eso: además del crecimiento, los núcleos en el estudio se contrajeron, dividieron y fusionaron; Algunos se disolvieron completamente.

“La nucleación es básicamente un problema no resuelto en muchos campos”, dijo el coautor Peter Ercius, científico del personal de Molecular Foundry, una instalación de nanociencia que ofrece a los usuarios instrumentos y experiencia de vanguardia para la investigación colaborativa. “Una vez que puedes imaginar algo, puedes empezar a pensar en cómo controlarlo”.

Los hallazgos ofrecen evidencia directa de que la teoría de la nucleación clásica no describe con precisión los fenómenos a nivel atómico. Los descubrimientos sobre la nucleación pueden influir en la investigación en una amplia gama de áreas, incluyendo la física, la química, la ciencia de los materiales, la ciencia ambiental y la neurociencia.

“Al capturar el movimiento atómico a lo largo del tiempo, este estudio abre nuevas vías para estudiar una amplia gama de fenómenos materiales, químicos y biológicos”, dijo el oficial de programas de la Fundación Nacional de Ciencia, Charles Ying, quien supervisa los fondos para el centro STROBE. “Este resultado transformador requirió avances innovadores en experimentación, análisis de datos y modelos, un resultado que exigió la amplia experiencia de los investigadores del centro y sus colaboradores”.

Otros autores fueron Yao Yang, Dennis Kim, Andrew Yuan y Xuezeng Tian, todos de UCLA; Colin Ophus y Andreas Schmid de Berkeley Lab; Fan Sun y Hao Zeng de la Universidad de Buffalo en Nueva York; Michael Nathanson y Hendrik Heinz, de la Universidad de Colorado en Boulder; y Qi An de la Universidad de Nevada, Reno.

La investigación fue apoyada principalmente por el Centro de Ciencia y Tecnología de STROBE National Science Foundation, y también fue apoyada por el Departamento de Energía de los Estados Unidos.