Sains & Teknologi

Pertama Kalinya, Gerakan Atom Ditangkap dalam 4-D

Transisi satu keadaan materi ke keadaan lain – seperti pembekuan, peleburan atau penguapan – dimulai dengan proses yang disebut “nukleasi,” di mana sekelompok kecil atom atau molekul (disebut “nuklei”) mulai bergabung. Nukleasi memainkan peran penting dalam keadaan yang beragam seperti pembentukan awan dan timbulnya penyakit neurodegeneratif.

Sebuah tim yang dipimpin UCLA telah memperoleh pandangan tentang nukleasi yang belum pernah terlihat sebelumnya – menangkap bagaimana gerakan atom mengatur ulang dengan resolusi atom 4-D (dalam tiga dimensi ruang dan melintasi waktu). Penemuan ini, yang diterbitkan dalam jurnal Nature , berbeda dari prediksi berdasarkan teori nukleasi klasik yang telah lama muncul dalam buku teks.

“Ini benar-benar percobaan terobosan — kami tidak hanya menemukan dan mengidentifikasi atom individu dengan presisi tinggi, tetapi juga memantau gerakan mereka dalam 4-D untuk pertama kalinya,” kata penulis senior Jianwei “John” Miao, seorang profesor fisika UCLA. astronomi, yang merupakan wakil direktur STROBE National Science Foundation, Pusat Sains dan Teknologi Yayasan dan anggota California NanoSystems Institute di UCLA.

Menangkap gerakan atom 4D dengan AET. Sumber: Nature

Penelitian oleh tim, yang meliputi kolaborator dari Laboratorium Nasional Lawrence Berkeley, Universitas Colorado di Boulder, Universitas Buffalo dan Universitas Nevada, Reno, dibangun di atas teknik pencitraan yang kuat yang sebelumnya dikembangkan oleh kelompok penelitian Miao. Metode itu, yang disebut “atomom tomografi elektron”, menggunakan mikroskop elektron canggih yang terletak di Berkeley Lab’s Molecular Foundry. Sampel diputar, dan dalam banyak cara yang sama pemindaian CAT menghasilkan sinar-X tiga dimensi dari tubuh manusia, tomografi elektron atom menciptakan gambar 3-D yang menakjubkan dari atom dalam suatu bahan.

Miao dan rekan-rekannya meneliti paduan besi-platinum yang dibentuk menjadi partikel nano sangat kecil sehingga dibutuhkan lebih dari 10.000 bagian untuk selebar rambut manusia. Untuk menyelidiki nukleasi, para ilmuwan memanaskan partikel nano hingga 520 derajat Celcius, atau 968 derajat Fahrenheit, dan mengambil gambar setelah 9 menit, 16 menit dan 26 menit. Pada suhu itu, paduan mengalami transisi antara dua fase padat yang berbeda.

Gambar. 3: Pengamatan eksperimental dari inti yang sama mengalami pertumbuhan, fluktuasi, disolusi, penggabungan dan / atau pembagian pada resolusi atom 4D. Sumber: Nature

Meskipun paduan terlihat sama dengan mata telanjang di kedua fase, pemeriksaan lebih dekat menunjukkan bahwa susunan atom 3-D berbeda satu sama lain. Setelah pemanasan, struktur berubah dari keadaan kimia yang campur aduk menjadi yang lebih teratur, dengan lapisan atom besi dan platinum bergantian. 

Dalam proses itu, penulis pertama dan sarjana postdoctoral UCLA Jihan Zhou dan Yongsoo Yang melacak 33 inti yang sama — beberapa sekecil 13 atom — dalam satu nanopartikel.

Hasilnya mengejutkan, karena mereka bertentangan dengan teori nukleasi klasikTeori itu berpendapat bahwa inti bulat sempurna. Dalam penelitian ini, sebaliknya, inti membentuk bentuk tidak beraturan. Teori itu juga mengemukakan bahwa inti memiliki batas yang tajam. Sebagai gantinya, para peneliti mengamati bahwa setiap nukleus mengandung inti atom yang telah berubah ke fase baru yang teratur, tetapi susunannya menjadi semakin campur aduk saat semakin dekat ke permukaan nukleus.

Teori nukleasi klasik juga menyatakan bahwa begitu sebuah nukleus mencapai ukuran tertentu, ia hanya tumbuh lebih besar dari sana. Tetapi prosesnya tampaknya jauh lebih rumit dari itu: Selain tumbuh, inti dalam penelitian menyusut, terpecah dan bergabung; beberapa larut sepenuhnya.

“Nukleasi pada dasarnya merupakan masalah yang belum terpecahkan di banyak bidang,” kata co-penulis Peter Ercius, seorang ilmuwan staf di Molecular Foundry, fasilitas nanosains yang menawarkan pengguna instrumentasi dan keahlian terdepan untuk penelitian kolaboratif. “Begitu kamu bisa membayangkan sesuatu, kamu bisa mulai memikirkan bagaimana mengendalikannya.”

Temuan ini menawarkan bukti langsung bahwa teori nukleasi klasik tidak secara akurat menggambarkan fenomena di tingkat atom. Penemuan tentang nukleasi dapat mempengaruhi penelitian di berbagai bidang, termasuk fisika, kimia, ilmu material, ilmu lingkungan dan ilmu saraf.

“Dengan menangkap gerakan atom dari waktu ke waktu, studi ini membuka jalan baru untuk mempelajari berbagai fenomena material, kimia, dan biologis,” kata pejabat program Yayasan Sains Nasional Charles Ying, yang mengawasi pendanaan untuk pusat STROBE. “Hasil transformatif ini membutuhkan kemajuan terobosan dalam eksperimen, analisis data dan pemodelan, hasil yang menuntut keahlian luas dari peneliti pusat dan kolaborator mereka.”