una. Estructura atómica general de una nanopartícula de Pt determinada en este estudio, con sustrato de SiN representado como discos negros y grises. B. Estructura facetaria identificada de la nanopartícula de Pt, mostrando todas las facetas. C, D. Iso-superficies de densidad 3D reconstruida a partir de la tomografía electrónica, antes (c) y después (d) del aumento basado en el aprendizaje profundo, respectivamente. mi, F. Intensidad del volumen de reconstrucción tomográfica y posiciones de los átomos trazados. Cada rebanada representa una capa atómica, y los puntos azules indican las posiciones atómicas 3D trazadas antes (e) y después (f) del aumento basado en aprendizaje profundo. Los fondos en escala de grises son iso-superficies de densidad 3D. Crédito:KAIST
Los átomos son los bloques de construcción básicos de todos los materiales. Para adaptar las propiedades funcionales, es fundamental determinar con precisión sus estructuras atómicas. Los investigadores de KAIST observaron la estructura atómica 3D de una nanopartícula a nivel de átomo a través de una tomografía de electrones atómicos asistida por redes neuronales.
Usando una nanopartícula de platino como sistema modelo, un equipo de investigación dirigido por el profesor Yongsoo Yang demostró que un enfoque de aprendizaje profundo basado en la atomicidad puede identificar de manera confiable la estructura atómica de la superficie 3D con una precisión de 15 picómetros (solo aproximadamente 1/3 del radio de un átomo de hidrógeno). El desplazamiento atómico, cepa, y el análisis de facetas reveló que la estructura atómica de la superficie y la tensión están relacionadas tanto con la forma de la nanopartícula como con la interfaz partícula-sustrato. Esta investigación se informó en Comunicaciones de la naturaleza .
Combinado con cálculos de mecánica cuántica como la teoría funcional de la densidad, la capacidad de identificar con precisión la estructura atómica de la superficie servirá como una clave poderosa para comprender el rendimiento catalítico y el efecto de oxidación.
"Resolvimos el problema de determinar la estructura atómica de la superficie en 3D de los nanomateriales de una manera confiable. Ha sido difícil medir con precisión las estructuras atómicas de la superficie debido al 'problema de la cuña faltante' en la tomografía electrónica, que surge de limitaciones geométricas, permitiendo medir solo una parte de un rango angular tomográfico completo. Resolvimos el problema utilizando un enfoque basado en el aprendizaje profundo, "explicó el profesor Yang.
El problema de la cuña faltante da como resultado artefactos de alargamiento y zumbido, afectando negativamente la precisión de la estructura atómica determinada a partir del tomograma, especialmente para identificar las estructuras superficiales. El problema de la cuña faltante ha sido el principal obstáculo para la determinación precisa de las estructuras atómicas de la superficie 3D de los nanomateriales.
El equipo utilizó tomografía electrónica atómica (AET), que es básicamente una tomografía computarizada de muy alta resolución para nanomateriales utilizando microscopios electrónicos de transmisión. AET permite la determinación estructural atómica 3D a nivel de átomo individual.
"La idea principal detrás de este enfoque basado en el aprendizaje profundo es la atomicidad, el hecho de que toda la materia está compuesta de átomos. Esto significa que el tomograma de electrones de resolución atómica real solo debe contener potenciales atómicos tridimensionales nítidos convolucionados con el perfil del haz de electrones, "dijo el profesor Yang.
"Se puede entrenar una red neuronal profunda utilizando tomogramas simulados que adolecen de cuñas faltantes como entradas, y los volúmenes atómicos tridimensionales reales como objetivos. La red de aprendizaje profundo entrenada aumenta efectivamente los tomogramas imperfectos y elimina los artefactos resultantes del problema de la cuña faltante ".
La precisión de la estructura atómica 3D se puede mejorar en casi un 70% aplicando el aumento basado en el aprendizaje profundo. La precisión de la identificación del átomo de superficie también mejoró significativamente.
Relaciones estructura-propiedad de nanomateriales funcionales, especialmente los que dependen en gran medida de las estructuras de la superficie, tales como propiedades catalíticas para aplicaciones de pilas de combustible, ahora puede revelarse en una de las escalas más fundamentales:la escala atómica.
El profesor Yang concluyó:"Nos gustaría trazar un mapa completo de la estructura atómica 3D con mayor precisión y mejor especificidad elemental. Y sin limitarnos a estructuras atómicas, nuestro objetivo es medir lo físico, químico, y propiedades funcionales de los nanomateriales a escala atómica 3D mediante el avance de las técnicas de tomografía electrónica ".
