【儀表網(wǎng) 儀表研發(fā)】導(dǎo)讀：有時，材料的特性(例如磁性和催化作用)可能會由于其原子之間的間隔發(fā)生微小變化而發(fā)生劇烈變化，這在材料科學(xué)的術(shù)語中通常稱為“局部應(yīng)變”。因此，對這種局部應(yīng)變的精確測量對于材料科學(xué)家來說非常重要。
用于此目的的一項強大技術(shù)是“高角度環(huán)形暗場成像”(HAADF)，這是一種掃描透射電子顯微鏡(一種用于繪制材料內(nèi)原子位置的技術(shù))中的方法，它產(chǎn)生的圖像具有理論上的亮點與原子位置一致。然而，在實踐中，由于設(shè)備中的機(jī)械和電氣噪聲，HAADF 圖像經(jīng)常失真，將最小的可測量局部應(yīng)變限制為略高于 1%。
現(xiàn)在，由日本高級科學(xué)技術(shù)研究所 (JAIST) 助理教授 Kohei Aso 領(lǐng)導(dǎo)的一組科學(xué)家利用數(shù)據(jù)科學(xué)領(lǐng)域的方法更準(zhǔn)確地測量材料中的應(yīng)變分布，提高了 HAADF 的精度成像。這項研究發(fā)表在 ACS Nano 上，是與日本九州大學(xué)的 JAIST 教授 Yoshifumi Oshima、當(dāng)時的研究生 Jens Maebe、博士后研究員 Xua Quy Tran、助理教授 Tomokazu Yamamoto 和 Syo Matsumura 教授合作進(jìn)行的。
該團(tuán)隊將 HAADF 成像與高斯過程回歸 (GPR) 相結(jié)合，這是一種常用于機(jī)器學(xué)習(xí)以及經(jīng)濟(jì)學(xué)和地質(zhì)學(xué)等領(lǐng)域的數(shù)據(jù)處理技術(shù)。在高斯過程中，假設(shè)數(shù)據(jù)的真實狀態(tài)(在這種情況下，原子位置或位移)由平滑函數(shù)表示，并且在觀察數(shù)據(jù)時將隨機(jī)噪聲添加到該“真實狀態(tài)”中。通過 GPR 逆轉(zhuǎn)這一過程，人們可以更準(zhǔn)確地估計原子的真實位置，從而更精確地計算局部應(yīng)變。具體來說，所提出的方法使團(tuán)隊能夠以 0.2% 的精度測量應(yīng)變。
該團(tuán)隊通過測量金納米結(jié)構(gòu)中的局部應(yīng)變并將金納米球中的拉伸應(yīng)變與不同長度的金納米棒(基本上是帶有半球帽的圓柱體)中的拉伸應(yīng)變進(jìn)行比較，證明了他們方法的潛力。這些比較表明，金納米粒子中的應(yīng)變分布根據(jù)它們的形狀而變化，納米棒在曲率突然變化的區(qū)域附近表現(xiàn)出約 0.5% 的拉伸應(yīng)變。
Aso 博士解釋了這些特定實驗背后的動機(jī)，球形金納米粒子在其整個表面受到均勻的應(yīng)力，這種應(yīng)力與表面張力成正比。因此，在垂直于表面的方向上發(fā)生均勻的壓縮應(yīng)變。相比之下，在金納米棒中，應(yīng)力應(yīng)用到表面變得不均勻，科學(xué)家們推測拉伸應(yīng)變應(yīng)該發(fā)生在某些地方。然而，直到現(xiàn)在，這還沒有通過實驗得到證實。
有了這些發(fā)現(xiàn)，該團(tuán)隊對其應(yīng)變測量策略的未來前景感到興奮。我們的技術(shù)將提供有關(guān)原子世界的詳細(xì)信息，這對于開發(fā)具有高性能和小尺寸的創(chuàng)新材料和設(shè)備是必要的。這可能有助于開發(fā)采用納米級材料和結(jié)構(gòu)的設(shè)備和傳感器。此外，該方法不需要昂貴的修改或復(fù)雜的程序，可以很容易地采用，麻生博士說。
有一件事是肯定的：我們現(xiàn)在可以更好地理解和操縱原子世界！
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