Datawetenschapstechniek helpt atomaire posities nauwkeuriger te meten

Soms kan de eigenschap van een materiaal, zoals magnetisme en katalyse, drastisch veranderen als gevolg van niets meer dan minieme veranderingen in de scheiding tussen de atomen, in de materiaalkunde gewoonlijk ‘lokale spanningen’ genoemd. Een nauwkeurige meting van dergelijke lokale spanningen is daarom belangrijk voor materiaalwetenschappers.

Een krachtige techniek die hiervoor wordt gebruikt, is ‘high-angle ringar dark-field imaging’ (HAADF), een benadering binnen scanning transmissie-elektronenmicroscopie die beelden produceert met heldere vlekken die theoretisch samenvallen met atomaire posities. In de praktijk worden HAADF-beelden echter vaak vervormd als gevolg van mechanische en elektrische ruis in het apparaat, waardoor de kleinste meetbare lokale spanningen worden beperkt tot iets meer dan 1%.

Nu heeft een team van wetenschappers onder leiding van assistent-professor Kohei Aso van het Japan Advanced Institute of Science and Technology (JAIST), Japan, een methode uit de datawetenschap gebruikt om de spanningsverdeling in materialen nauwkeuriger te meten, waardoor de precisie van HAADF wordt verbeterd. in beeld brengen. Deze studie, gepubliceerd in ACS Nano, werd uitgevoerd in samenwerking met JAIST-professor Yoshifumi Oshima, vervolgens afgestudeerde student Jens Maebe, postdoctorale fellow Xuan Quy Tran, assistent-professor Tomokazu Yamamoto en professor Syo Matsumura van de Kyushu University, Japan.

Het team combineerde HAADF-beeldvorming met Gaussiaanse procesregressie (GPR), een gegevensverwerkingstechniek die vaak wordt gebruikt in machine learning en in gebieden zoals economie en geologie. In een Gaussiaans proces wordt aangenomen dat de ware staat van gegevens (in dit geval atomaire posities of verplaatsing) wordt weergegeven door een vloeiende functie, en willekeurige ruis wordt toegevoegd aan deze ‘ware toestand’ wanneer gegevens worden waargenomen. Door dit proces om te keren via GPR, kan men de ware posities van de atomen nauwkeuriger inschatten en zo lokale spanningen met hogere precisie berekenen. In het bijzonder stelde de voorgestelde methode het team in staat om spanning te meten met een precisie van 0,2%.

Het team demonstreerde het potentieel van hun aanpak door lokale spanningen in gouden nanostructuren te meten en trekspanningen in een gouden nanosfeer te vergelijken met die in gouden nanostaafjes (in wezen cilinders met halfronde doppen) van verschillende lengtes. Deze vergelijkingen onthulden dat de spanningsverdelingen in gouden nanodeeltjes varieerden afhankelijk van hun vorm, waarbij nanostaafjes een trekspanning van ongeveer 0,5% vertoonden in de buurt van het gebied waar de kromming abrupt verandert. Dr. Aso legt uit dat “het bekend is dat sferische gouden nanodeeltjes worden onderworpen aan uniforme spanning over hun gehele oppervlak, en deze spanning is evenredig met de oppervlaktespanning. Er treedt dus uniforme drukspanning op in de richting loodrecht op het oppervlak. gouden nanostaafjes, de spanning die op het oppervlak wordt uitgeoefend, wordt niet-uniform en wetenschappers hebben getheoretiseerd dat trekspanning op bepaalde plaatsen zou moeten optreden. Dit was tot nu toe echter niet experimenteel bewezen.”

Met deze bevindingen is het team enthousiast over de toekomstperspectieven van hun rekmeetstrategie. “Onze techniek zal gedetailleerde informatie opleveren over de atomaire wereld, die nodig is voor de ontwikkeling van innovatieve materialen en apparaten met zowel hoge prestaties als kleine afmetingen. Dit kan nuttig zijn voor de ontwikkeling van apparaten en sensoren die gebruik maken van materialen en structuren op nanoschaal. Bovendien, de methode vereist geen dure aanpassingen of ingewikkelde procedures en kan gemakkelijk worden toegepast”, zegt Dr. Aso.