由加州纳米系统研究所制作
微小的非晶钯颗粒的实验性3D原子图像(左)，其中10边五边形双锥(右)是原子如何聚集在一起的最普遍的图案；橙色线条代表五边形双锥形状
信用:袁亚坤和苗约翰/加州大学洛杉矶分校 我们周围的许多物质，从食盐和糖到大多数金属，都排列成晶体
因为它们的分子以有序、重复的模式排列，所以人们对它们的结构有了更多的了解
然而，更多的物质——包括橡胶、玻璃和大多数液体——始终缺乏这种基本秩序，这使得很难确定它们的分子结构
迄今为止，对这些无定形物质的理解几乎完全基于理论模型和间接实验
加州大学洛杉矶分校领导的研究团队正在改变这种情况
利用他们开发的一种绘制三维原子结构图的方法，科学家们直接观察到了原子是如何堆积在无定形材料样品中的
今天发表在《自然材料》杂志上的这一发现可能会迫使我们重写传统模型，并为使用这些物质的未来材料和设备的设计提供信息
“我们相信这项研究将对未来对无定形固体和液体的理解产生非常重要的影响——它们是地球上最基本的物质之一，”该研究的资深作者、加州大学洛杉矶分校物理学和天文学教授、加州大学洛杉矶分校加州纳米系统研究所的成员建伟“约翰”苗说
“了解基本结构可能会导致技术的巨大进步
" 从1952年英国物理学家弗雷德里克·查尔斯·弗兰克的工作开始，普遍的科学认识是，液体或无定形固体中的原子和分子通常组合成13个一组
该模型认为，它们是由一个中心原子或分子被另外12个原子或分子包围而成的，这12个原子或分子是围绕中心粒子的两个五环，另一个覆盖顶部，一个覆盖底部
为了模拟原子或分子团如何在更大的尺度上组装在一起，科学家们将这13个原子或分子团概念化为一个三维形状，将每个外部粒子视为一个角，并将这些点连接起来，形成一个具有20个三角形面的实体，称为二十面体，这是任何龙与地下城玩家都熟悉的形状，采用20面模具的形式
不过，苗和他的同事发现了一些不同的东西
该团队使用原子电子断层扫描分析了三个无定形金属物体
这是一种强大的成像方法，向样品发射电子束，并在电子通过时测量电子，在样品旋转时多次捕获数据，这样计算机算法就可以构建3D图像
研究人员发现，只有极小一部分原子形成了13个二十面体基团
相反，最常见的排列是七个一组，五个在一个中心层，一个在顶部，一个在底部，没有中心原子——研究人员将这种形状描述为五边形双锥，有10个三角形面
他们还观察到，这些五边形双锥形成网络，其中的边通常是共享的
“自从Frank的论文发表以来，科学界一直认为二十面体序是液体或无定形固体中最重要的结构基序，”苗说
“但到目前为止，还没有人能够绘制出所有原子的位置并进行检查
我们发现五边形双锥是最普遍的图案
大自然似乎更喜欢组合成七
" 这种组合的优势在研究人员研究的样本中是一致的，为了简单起见，他们选择了在基本尺度上以单原子形式存在的材料
被检查的材料是一层由钽制成的薄膜，钽是一种用于电子元件的稀有金属，以及两种由钯制成的纳米颗粒，钯是一种对催化转化器很重要的金属，可以降低汽车尾气的毒性
该团队还利用他们的实验数据作为计算机模拟的基础，模拟钽熔化后迅速冷却，从而不会形成c晶体，从而形成所谓的金属玻璃
在模拟中，钽的原子以液体和玻璃的形式类似地堆积成五边形双锥网络的情况比任何其他形状都多
这些发现可能会促使我们重新考虑我们周围世界的科学物理模型的某些方面
由于非晶材料被集成到某些半导体和包括太阳能电池板在内的许多器件中，这项研究可能是用涉及这些材料的有目的的设计来取代反复试验的早期步骤
“这项工作，连同我们最近发表在《自然》杂志上的关于非晶材料的论文，其影响力可能与一个多世纪前科学首次揭示盐晶体的3D原子结构相当，”苗说
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