Vidrio, el caucho y los plásticos pertenecen a una clase de materia llamada sólidos amorfos. Y a pesar de lo comunes que son en nuestra vida cotidiana, Los sólidos amorfos han supuesto durante mucho tiempo un desafío para los científicos.

Desde la década de 1910, Los científicos han podido mapear en 3D las estructuras atómicas de los cristales, la otra clase principal de sólidos, que ha llevado a innumerables avances en física, química, biología, ciencia de los Materiales, geología, nanociencia, descubrimiento de fármacos y más. Pero debido a que los sólidos amorfos no se ensamblan en rígidos, estructuras atómicas repetitivas como los cristales son, han desafiado la capacidad de los investigadores para determinar su estructura atómica con el mismo nivel de precisión.

Hasta ahora, es decir.

Un estudio dirigido por UCLA en la revista Naturaleza informa sobre la primera determinación de la estructura atómica 3D de un sólido amorfo, en este caso, un material llamado vidrio metálico.

"Sabemos mucho sobre cristales, sin embargo, la mayor parte de la materia en la Tierra no es cristalina y sabemos muy poco sobre su estructura atómica, "dijo el autor principal del estudio, Jianwei "John" Miao, profesor de física y astronomía de UCLA y miembro del California NanoSystems Institute de UCLA.

Observar la disposición atómica en 3D de un sólido amorfo ha sido el sueño de Miao desde que era estudiante de posgrado. Ese sueño ahora se ha realizado después de 22 años de búsqueda incesante.

"Este estudio acaba de abrir una nueva puerta, " él dijo.

Los vidrios metálicos tienden a ser más fuertes y más moldeables que los metales cristalinos estándar, y se utilizan hoy en día en productos que van desde transformadores eléctricos hasta palos de golf de alta gama y carcasas para portátiles Apple y otros dispositivos electrónicos. Comprender la estructura atómica de los vidrios metálicos podría ayudar a los ingenieros a diseñar versiones aún mejores de estos materiales. para una gama aún más amplia de aplicaciones.

Los investigadores utilizaron una técnica llamada tomografía electrónica atómica, un tipo de imagen 3D del que fueron pioneros Miao y sus colaboradores. El enfoque implica transmitir electrones a través de una muestra y recolectar una imagen en el otro lado. La muestra se gira para que las mediciones se puedan tomar desde múltiples ángulos, produciendo datos que se unen para producir una imagen 3D.

"Combinamos microscopía electrónica de última generación con potentes algoritmos y técnicas de análisis para estudiar estructuras hasta el nivel de átomos individuales, "dijo el coautor Peter Ercius, un científico de planta en la Fundición Molecular del Laboratorio Nacional Lawrence Berkeley, donde se realizó el experimento. "El conocimiento directo de las estructuras amorfas en este nivel es un cambio de juego para las ciencias físicas".

Los investigadores examinaron una muestra de vidrio metálico de unos 8 nanómetros de diámetro, hecho de ocho metales diferentes. (Un nanómetro es una mil millonésima parte de un metro). Usando 55 imágenes de tomografía electrónica atómica, Miao y sus colegas crearon un mapa en 3D de aproximadamente 18, 000 átomos que componían la nanopartícula.

Debido a que los sólidos amorfos han sido tan difíciles de caracterizar, los investigadores esperaban que los átomos estuvieran dispuestos de forma caótica. Y aunque alrededor del 85% de los átomos estaban en una disposición desordenada, los investigadores pudieron identificar focos donde una fracción de átomos se fusionó en supercúmulos ordenados. El hallazgo demostró que incluso dentro de un sólido amorfo, la disposición de los átomos no es completamente aleatoria.

Miao reconoció una limitación de la investigación, nacido de los límites de la microscopía electrónica en sí. Algunos de los átomos de metal eran tan similares en tamaño que las imágenes de electrones no podían distinguirlos. A los efectos del estudio, los investigadores agruparon los metales en tres categorías, uniendo vecinos de la tabla periódica de elementos:cobalto y níquel en la primera categoría; rutenio, rodio, paladio y plata en el segundo; e iridio y platino en el tercero.

La investigación fue apoyada principalmente por el Centro de Ciencia y Tecnología de la Fundación Nacional de Ciencias STROBE, de los cuales Miao es subdirector, y en parte por el Departamento de Energía de EE. UU.

"Este resultado innovador ejemplifica el poder de un equipo transdisciplinario, "dijo Charles Ying, el oficial del programa de la National Science Foundation que supervisa la financiación del centro STROBE. "Demuestra la necesidad de apoyo a largo plazo de un centro para abordar este tipo de proyecto de investigación complejo".

Los co-primeros autores del estudio son el estudiante graduado Yao Yang, ex científico asistente del proyecto Jihan Zhou, ex investigador postdoctoral Fan Zhu, e investigador postdoctoral Yakun Yuan, todos los miembros actuales o anteriores del grupo de investigación de Miao en UCLA. Otros coautores de UCLA son los estudiantes graduados Dillan Chang y Arjun Rana; los ex becarios postdoctorales Dennis Kim y Xuezeng Tian; el profesor adjunto asistente de matemáticas Minh Pham; y el profesor de matemáticas Stanley Osher.

Otros coautores son Yonggang Yao y Liangbing Hu de la Universidad de Maryland, College Park; y Andreas Schmid y Peter Ercius del Laboratorio Nacional Lawrence Berkeley.

"Este trabajo es una excelente ilustración de cómo abordar grandes desafíos de larga data al reunir a científicos con diferentes antecedentes en física, matemáticas, ciencia de los materiales y de la imagen, con sólidas alianzas entre universidades y laboratorios nacionales, "dijo Margaret Murnane, director del centro STROBE. "Este es un equipo espectacular".