20.10.2021 - University of California - Los Angeles (UCLA)

3D-Bildgebungsstudie zeigt, wie Atome in amorphen Materialien gepackt sind

Die von der UCLA geleitete Forschung könnte ein 70 Jahre altes Modell über den Aufbau der Grundbausteine von Substanzen revidieren

Viele Stoffe, die uns umgeben, von Kochsalz und Zucker bis zu den meisten Metallen, sind in Kristallen angeordnet. Da ihre Moleküle in einem geordneten, sich wiederholenden Muster angeordnet sind, ist vieles über ihre Struktur bekannt.

Bei einer weitaus größeren Zahl von Stoffen - darunter Gummi, Glas und die meisten Flüssigkeiten - ist diese grundlegende Ordnung jedoch nicht durchgängig vorhanden, so dass es schwierig ist, ihre Molekularstruktur zu bestimmen. Bislang beruhte das Verständnis dieser amorphen Stoffe fast ausschließlich auf theoretischen Modellen und indirekten Experimenten.

Ein Forscherteam unter Leitung der UCLA ist dabei, dies zu ändern. Mithilfe einer von ihnen entwickelten Methode zur dreidimensionalen Abbildung der atomaren Struktur haben die Wissenschaftler direkt beobachtet, wie die Atome in Proben amorpher Materialien gepackt sind. Die Ergebnisse, die heute in Nature Materials veröffentlicht wurden, könnten eine Überarbeitung des herkömmlichen Modells erzwingen und die Gestaltung künftiger Materialien und Geräte, die diese Stoffe verwenden, beeinflussen.

"Wir glauben, dass diese Studie einen sehr wichtigen Einfluss auf das zukünftige Verständnis von amorphen Festkörpern und Flüssigkeiten haben wird, die zu den am häufigsten vorkommenden Substanzen auf der Erde gehören", sagte der Hauptautor der Studie, Jianwei "John" Miao, ein UCLA-Professor für Physik und Astronomie und Mitglied des California NanoSystems Institute an der UCLA. "Das Verständnis der grundlegenden Strukturen kann zu dramatischen Fortschritten in der Technologie führen".

Seit den Arbeiten des britischen Physikers Frederick Charles Frank aus dem Jahr 1952 geht die Wissenschaft davon aus, dass sich Atome und Moleküle in einer Flüssigkeit oder einem amorphen Festkörper im Allgemeinen in 13er-Gruppen zusammenfinden. Das Modell geht davon aus, dass sie aus einem zentralen Atom oder Molekül bestehen, das von den anderen 12 umgeben ist - zwei Fünferringe um das zentrale Teilchen, mit einem weiteren oben und einem unten als Deckel.

Um zu modellieren, wie Klumpen von Atomen oder Molekülen in größeren Maßstäben zusammenpassen könnten, stellen sich die Wissenschaftler diese Gruppe von 13 als 3D-Form vor, indem sie jedes äußere Teilchen als eine Ecke behandeln und die Punkte miteinander verbinden, was zu einem Festkörper mit 20 dreieckigen Flächen führt, der als Ikosaeder bezeichnet wird, eine Form, die jedem Dungeons & Dragons-Spieler in Form eines 20-seitigen Würfels bekannt ist.

Miao und seine Kollegen fanden jedoch etwas anderes.

Das Team analysierte drei amorphe metallische Objekte mit Hilfe der atomaren Elektronentomographie. Bei dieser leistungsstarken Bildgebungsmethode werden Elektronen auf eine Probe gestrahlt und beim Durchgang gemessen. Die Daten werden mehrfach erfasst, während die Probe gedreht wird, so dass Computeralgorithmen ein 3D-Bild erstellen können.

Die Forscher entdeckten, dass nur ein sehr kleiner Teil der Atome ikosaedrische Gruppen von 13 bildet. Die häufigste Anordnung waren vielmehr Siebenergruppen mit fünf Atomen in einer zentralen Schicht, einem oben, einem unten und keinem zentralen Atom - eine Form, die die Forscher als fünfeckige Bipyramide mit zehn dreieckigen Flächen beschreiben. Sie beobachteten auch, dass sich diese fünfeckigen Bipyramiden zu Netzwerken formten, in denen die Kanten oft gemeinsam genutzt wurden.

"Seit Franks Arbeit glaubt die wissenschaftliche Gemeinschaft, dass die ikosaedrische Ordnung das wichtigste strukturelle Motiv in Flüssigkeiten oder amorphen Festkörpern ist", so Miao. "Aber bis jetzt war niemand in der Lage, die Position aller Atome zu bestimmen und zu überprüfen. Wir haben herausgefunden, dass die fünfeckige Bipyramide das am häufigsten vorkommende Motiv ist. Die Natur scheint es zu bevorzugen, Siebener zu kombinieren".

Die Vorherrschaft dieser Kombination war bei allen von den Forschern untersuchten Proben gleich, die der Einfachheit halber Materialien auswählten, die auf ihrer Grundskala als einzelne Atome existieren. Bei den untersuchten Materialien handelte es sich um einen dünnen Film aus Tantal, einem seltenen Metall, das für elektronische Bauteile verwendet wird, und zwei Nanopartikel aus Palladium, einem Metall, das für Katalysatoren wichtig ist, die Autoabgase weniger giftig machen.

Das Team nutzte seine experimentellen Daten auch als Grundlage für eine Computersimulation dessen, was passiert, wenn Tantal geschmolzen und dann schnell abgekühlt wird, damit sich keine Kristalle bilden, was zu einem so genannten metallischen Glas führt. In der Simulation ordneten sich die Tantalatome häufiger als jede andere Form in Netzwerke aus fünfeckigen Bipyramiden ein, sowohl in flüssiger als auch in gläserner Form.

Diese Ergebnisse könnten dazu führen, dass bestimmte Aspekte des physikalischen Modells der Wissenschaft für die Welt um uns herum neu überdacht werden. Und da amorphe Materialien in bestimmte Halbleiter und zahlreiche Geräte, einschließlich Solarpanels, integriert sind, könnte diese Forschung ein erster Schritt sein, um Versuch und Irrtum durch gezieltes Design zu ersetzen, wenn es um diese Materialien geht.

"Diese Arbeit ist zusammen mit unserer jüngsten Nature-Veröffentlichung über nichtkristalline Materialien von vergleichbarem Einfluss wie das erste Mal, als die Wissenschaft vor über einem Jahrhundert die atomare 3D-Struktur von Salzkristallen aufdeckte", so Miao.

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