Ученым удалось создать визуализацию движения атомов в четырехмерном пространстве, включающем три пространственных измерения и временную ось.
Переходы вещества между различными состояниями, например кристаллизация, плавление или испарение, всегда начинаются с нуклеации – процесса, в котором небольшие скопления атомов или молекул, называемые «ядрами», начинают объединяться. Нуклеация играет ключевую роль в широком спектре явлений, включая формирование облаков и развитие нейродегенеративных заболеваний.
Исследование команды из Колорадского университета в Боулдере и Университета Буффало зафиксировала движение атомов в 4D-пространстве, используя открытый недавно метод визуализации. Он называется атомно-электронной томографией. При измерении этим методом образец вращается в поле действия электронного микроскопа. Благодаря высокому разрешению микроскопа атомно-электронная томография создает сногсшибательные трехмерные изображения атомов внутри материала.
В ходе недавнего исследования ученые получили железо-платиновый сплав, состоящий из наночастиц, размеры которых в 10 тысяч раз меньше толщины человеческого волоса. Чтобы изучить процесс нуклеации, исследователи нагрели эти наночастицы до 520 градусов Цельсия и проводили наблюдения через девять, 16 и 26 минут. При данной температуре сплав изменяет свою структуру, переходя между двумя различными твердыми фазами.
Несмотря на визуальное сходство в обоих состояниях, при более детальном изучении выявляются различия в кристаллических структурах. Термическая обработка приводит к тому, что неоднородная химическая смесь приобретает более упорядоченную структуру, характеризующуюся чередующимися слоями атомов железа и платины.
Результаты оказались неожиданными, поскольку они не согласуются с классической теорией нуклеации, утверждающей, что ядра имеют идеально круглую форму. Исследования показали, что ядра сформировались с нерегулярной формой. Согласно этой теории, ядра также должны иметь четко выраженные границы. Однако, исследователи обнаружили, что в центре каждого ядра присутствует упорядоченная фаза, окруженная смесью двух фаз.