作者韦恩·刘易斯，洛杉矶加州大学 这张图片显示了在三个不同的退火时间，铁-铂纳米粒子捕捉到的4D原子运动
实验观察结果与经典成核理论不一致，表明需要一个超越该理论的模型来解释原子尺度上的早期成核
荣誉:亚历山大·托卡列夫 物质从一种状态到另一种状态的日常转变——如冻结、熔化或蒸发——始于一个称为“成核”的过程，在这个过程中，微小的原子或分子簇(称为“核”)开始聚结
成核在云的形成和神经退行性疾病的发作等各种环境中起着至关重要的作用
加州大学洛杉矶分校领导的团队获得了前所未有的成核观点——捕捉原子如何以四维原子分辨率重新排列(即在三维空间和时间上)
发表在《自然》杂志上的这一发现不同于基于经典成核理论的预测，经典成核理论早就出现在教科书中
加州大学洛杉矶分校物理学和天文学教授、美国国家科学基金会STROBE科学技术中心副主任、加州大学洛杉矶分校加州纳米系统研究所成员李建伟说:“这真是一个开创性的实验——我们不仅可以高精度地定位和识别单个原子，还可以首次在四维空间监控它们的运动。”
该团队包括劳伦斯·伯克利国家实验室、科罗拉多大学博尔德分校、布法罗大学和内华达大学里诺分校的合作者，他们的研究建立在之前由苗的研究小组开发的强大成像技术的基础上
这种被称为“原子电子断层扫描”的方法使用了位于伯克利实验室分子铸造厂的最先进的电子显微镜，它可以用电子对样品成像
样品被旋转，就像计算机断层扫描产生人体的三维x光一样，原子电子断层扫描产生材料中原子的惊人的三维图像
苗和他的同事们研究了一种铁铂合金，这种合金形成的纳米颗粒非常小，以至于需要10000多个纳米颗粒并排放置才能跨越一根头发的宽度
为了研究成核，科学家们将纳米粒子加热到520摄氏度，或968华氏度，并在9分钟、16分钟和26分钟后拍摄图像
在该温度下，合金经历两种不同固相之间的转变
虽然这种合金在两种状态下肉眼看起来是一样的，但是仔细观察就会发现三维原子排列是不同的
加热后，结构从混乱的化学状态变成更有序的状态，铁和铂原子交替出现
合金的变化可以比作解魔方——混杂的相让所有的颜色随机混合，而有序的相让所有的颜色对齐
在第一作者和加州大学洛杉矶分校博士后学者周和杨的艰苦研究过程中，研究小组在一个纳米粒子中追踪了33个相同的原子核——有些甚至只有13个原子那么小
“人们认为大海捞针很难，”苗说
“在三个不同的时间，在一万亿多个原子中找到同一个原子会有多困难？” 结果令人惊讶，因为它们与经典的成核理论相矛盾
那个理论认为原子核是完全圆的
相反，在这项研究中，原子核形成不规则的形状
该理论还表明原子核有一个尖锐的边界
相反，研究人员观察到，每个原子核都包含一个原子核心，这些原子核心已经变成了新的有序相，但是排列越来越混乱，越来越靠近原子核的表面
经典成核理论还指出，一旦原子核达到特定的大小，它只会从那里变大
但过程似乎远比这复杂:研究中的细胞核除了生长，还收缩、分裂、合并；有些完全溶解了
“成核在许多领域基本上是一个未解决的问题，”合著者彼得·埃丘斯说，他是分子铸造公司的一名员工科学家，该公司是一家纳米科学机构，为用户提供先进的仪器和协作研究的专业知识
“一旦你能想象出某样东西，你就可以开始思考如何控制它
" 这些发现提供了直接证据，证明经典成核理论不能准确描述原子水平上的现象
关于成核的发现可能影响广泛领域的研究，包括物理、化学、材料科学、环境科学和神经科学
“通过捕捉原子随时间的运动，这项研究为研究广泛的物质、化学和生物现象开辟了新的途径，”国家科学基金会项目官员查尔斯·英说，他负责监督STROBE中心的资金
“这一变革性成果需要在实验、数据分析和建模方面取得突破性进展，这一成果需要该中心研究人员及其合作者的广泛专业知识
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