Команда ученых смогла визуализировать движение атомов в 4D-пространстве — трех пространственных измерениях и во времени.

Обычные переходы вещества из одного состояния в другое, такие как кристаллизация, плавление или испарение, начинаются с процесса, называемого нуклеацией, при котором крошечные скопления атомов или молекул («ядра») начинают сливаться. Нуклеация играет решающую роль в таких разнообразных явлениях, как образование облаков и начало нейродегенеративного заболевания.

Исследование команды из Колорадского университета в Боулдере и Университета Буффало зафиксировала движение атомов в 4D-пространстве, используя открытый недавно метод визуализации. Он называется атомно-электронной томографией. При измерении этим методом образец вращается в поле действия электронного микроскопа. Благодаря высокому разрешению микроскопа атомно-электронная томография создает сногсшибательные трехмерные изображения атомов внутри материала.

В новом исследовании ученые сняли железо-платиновый сплав, сформированный в виде наночастиц, которые в 10 тысяч раз меньше человеческого волоса. Для того чтобы исследовать нуклеацию, научные работники нагрели наночастицы до 520 градусов Цельсия и делали изображения спустя девять, 16 и 26 минут. При этой температуре сплав претерпевает переход между двумя различными твердыми фазами.

Хотя сплав выглядит одинаково невооруженным глазом в обоих состояниях, более тщательный осмотр показывает, что их кристаллические структуры отличаются друг от друга. После нагревания смешанное химическое состояние переходит в более упорядоченное — с чередующимися слоями атомов железа и платины.

Полученные результаты оказались удивительными, так как противоречат классической теории нуклеации, которая гласит, что ядра совершенно круглые. Ученые выяснили, что ядра образовались неправильной формы. Теория также предполагает, что ядра имеют острую границу. Вместо этого исследователи заметили, что в центре каждого ядра имеется упорядоченная фаза, а по ее краям — смесь двух фаз.