《Nature》重大突破！终于实现对这种结构的三维原子成像

非晶态固体如玻璃、塑料和非晶态薄膜，在日常生活中无处不在，同时，在电信、电子、太阳能电池等领域，有着广泛的应用。然而，由于缺乏长程有序，无定形固体的三维(3D)原子结构，迄今为止还没有直接的实验测定。

在此，来自美国加州大学洛杉矶分校的苗建伟等研究者，发展了一种原子电子断层扫描重建方法，可以实验确定非晶固体的3D原子位置。相关论文以题为“Determining the three-dimensional atomic structure of an amorphous solid”发表在国际顶刊Nature上。更多精彩视频抖音搜索：材料科学网。

论文链接：

https://www.nature.com/articles/s41586-021-03354-0

自1960年发现金属玻璃以来，人们一直在积极研究它的基本原理和实际应用。然而，由于金属非晶玻璃的无序结构，其三维原子排列一直无法用晶体学方法确定。多年来，众多实验和计算方法始终热衷于研究金属玻璃结构，如X射线和中子衍射，X射线吸收精细结构，高分辨率透射电子显微镜，波动电子显微镜，埃纳米束电子衍射，核磁共振，密度泛函理论，分子动力学模拟和反向蒙特卡罗模拟等。然而，尽管有了这些进展，但还没有一种实验方法，能够直接确定金属玻璃样品中的所有3D原子位置。

一种理论上可以解决这个长期存在问题的实验方法是，原子电子层析成像(AET)。AET将高分辨率层析成像与先进的迭代算法相结合，可以在不假定结晶度的情况下，解析材料的3D原子结构，它已经被广泛应用于图像晶界，反相边界，堆积错误，位错，点缺陷，化学有序/无序，原子尺度波纹，键扭曲和应变张量等前所未有的3D细节。近年来，四维(三维和时间)AET常用来观察原子分辨的晶体成核，表明早期的成核结果与经典成核理论不一致。

本文中，研究者使用非晶态的玻璃形成合金样品作为模型，并改进AET来确定合金的3D原子位置，精度为21 pm（万亿分之一米）。在本研究中，研究者将重点放在最无序的纳米颗粒(粒子1)上，从中获得了倾斜序列的55张图像(图1a)。虽然一些晶体特征在一些图像中存在，但二维(2D)功率谱计算从图像显示非晶态晕(图1b)。经过预处理和图像去噪，重构倾斜序列，跟踪并分类三维原子位置(图1c, d)。在此，研究者用一种多组分非晶合金作为原理证明，定量表征了三维原子排列的中短程有序。观察到，虽然近程序的三维原子排列是几何无序的，但一些近程序的结构相互连接形成类晶体超团簇，并形成中程序。研究者在非晶样品中发现了四种类型的类晶中程有序晶体：面心立方、六边形密排、体心立方和简单立方共存，它们表现为平动而非取向有序。这些观察结果，为支持金属玻璃有效簇状堆积模型的总体框架，提供了直接的实验证据。