Novi metod 4D-STEM izoluje atomske strukture iz grupisanih nanokristala

Naučnici u američkoj Nacionalnoj laboratoriji Berkli razvili su nov način za izolovanje atomskih struktura iz nanokristala koji su se ranije smatrali neupotrebljivim, što je napredak koji bi mogao transformisati način na koji istraživači proučavaju materijale previše male ili nesavršene za konvencionalnu kristalografiju.

Kristalni materijali su omogućili napredak u računarstvu, komunikacijama, energetskim tehnologijama i farmaceutici. Mnoga od specifičnih svojstava ovih materijala potiču od načina na koji njihovi sastavni molekuli formiraju ponavljajuće obrasce. Da bi bolje razumeli kako razviti kristalne materijale u korisne tehnologije, naučnici moraju da odrede njihovu atomsku strukturu.

Preporučujemo

Nažalost, njihovi uzorci nisu uvek pogodni. Iako ustanovljene tehnike poput rendgenske kristalografije mogu dati lepe mape atomske strukture u subangstremskoj rezoluciji, zahtevaju velike, nedirnute pojedinačne kristale da bi radile, a mnogi važni materijali odbijaju da rastu na taj način.

Naučnici su sad razvili pristup koji može da uzorkuje pojedinačne nanokristale ugrađene u aglomerirane klastere, transformišući ranije problematične materijale u vredne izvore podataka.

"Naša tehnika nam omogućava da selektivno sakupljamo podatke iz najboljih oblasti nanouzorka, što bitno menja kristalografiju", kažu naučnici.

Pomoću tehnike nazvane 4D-STEM (četvorodimenzionalna skenirajuća transmisiona elektronska mikroskopija), istraživači iz Berkli laboratorije sužavaju elektronski snop na samo nekoliko nanometara i rasterski ga pomeraju po uzorku u malim, preciznim koracima. Na svakoj od stotina hiljada pozicija, snimaju nezavisni difrakcioni obrazac, kreirajući masivan skup podataka.

Ovo dostignuće unapređuje upotrebu elektronskih mikroskopa u kristalografiji. Nedavno su se kristalografi okrenuli tehnici nazvanoj mikrokristalna elektronska difrakcija (MicroED) radi analize nanouzoraka. Pošto visokoenergetski elektroni reaguju sa materijom jače od rendgenskih zraka, oni omogućavaju naučnicima da snimaju nanokristale čak manje od talasne dužine vidljive svetlosti. Koristeći elektrone, istraživači sad mogu da reše atomske strukture iz uzoraka koji su ranije smatrani previše malim da bi bili upotrebljivi.

Ipak, MicroED ima ograničenja. MicroED sve na svom putu obasipa širokim snopom elektrona, obično od nekoliko mikrometara. Zatim istraživači ubacuju aperturu u mikroskop kako bi izolovali signal iz ciljnog kristala. Ako se više kristala grupiše unutar područja pokrivenog aperturom, njihovi difrakcioni obrasci se zamute, što proizvodi rezultate koji se teško tumače.

Specijalno izrađeni detektor, 4D kamera, pomogao je u prevazilaženju takvih ograničenja. Sa munjevitom brzinom od 87.000 frejmova u sekundi, 4D kamera proizvodi protok podataka oko 1.500 puta brži od prosečne brzine preuzimanja sa interneta u SAD. Ovaj tok podataka se zatim šalje do superkompjutera Perlmater, gde ga specijalizovani algoritmi kompresuju i obrađuju u realnom vremenu.

"Naš pristup objedinjuje ekspertizu u inženjeringu detektora, superračunarstvu, elektronskoj mikroskopiji i kristalografiji", kažu istraživači. „Prilagodili smo programe iz rendgenske kristalografije za obradu podataka elektronske mikroskopije dobijenih putem unikatnog novog detektora“.

Da bi demonstrirali svoju metodu, naučnici su radili sa reprezentativnim jedinjenjem UiO-66, metalno-organskom strukturom (MOF) koja formira porozne oktaedarske kristale široke otprilike 300 nanometara. Iako je ovaj materijal ranije okarakterisan pomoću rendgenskih zraka, dobijanje čistih difrakcionih podataka zahtevalo je mukotrpno pravljenje mnogo većih kristala.

Ključni proboj dolazi od takozvanih "virtuelnih apertura" – računarske tehnike koja omogućava izbor delova uzorka za analizu. Tako se mogu izolovati individualni nanokristali unutar konglomerata nanokristala, ili čak precizno odrediti specifične podoblasti jednog nanokristala koje daju najbolje podatke. Za razliku od fizičkih apertura, čija veličina i oblik su fiksni, ove virtuelne aperture mogu biti pažljivo oblikovane i optimizovane u bilo koji oblik potreban za ciljanje atomskih regiona unutar uzorka.

„Virtuelne aperture nanorazmera omogućavaju nam da selektivno biramo najbolje delove i odbacujemo defektne delove, piksel po piksel“, kažu istraživači. „Za kristalografa, to je ostvarenje sna. Ne samo da možemo spasiti uzorke neobradive putem standardnih fizičkih apertura, već možemo i rešiti atomske strukture iz sićušnih, odabranih podoblasti unutar tih uzoraka".

Metalno-organske strukture su fokus intenzivnih istraživanja za sledeću generaciju energetskih, zdravstvenih i ekoloških tehnologija, što je kulminiralo Nobelovom nagradom za hemiju 2025.

Izuzetna preciznost tehnike mogla bi se pokazati transformativnom u mnogim oblastima. Na primer, mogla bi pomoći u karakterizaciji poroznih metalno-organskih struktura dizajniranih za terapeutsku dostavu lekova ili hvatanje gasa, dajući nove uvide u način kako sićušni kristali hvataju, drže i oslobađaju molekule.

„Želimo da razvijemo 4D-STEM u tehniku sposobnu za razjašnjavanje struktura pojedinačnih kristala u još manjim razmerama. Sad možemo realistično početi da ciljamo populacije elementarnih jedinica koje su bile potpuno nedostupne kristalografiji“, kažu istraživači.

(Telegraf Nauka/Phys.org)