科學家首次拍到原子四維運動圖像

就像CT掃瞄拍攝人體內部三維照片一樣，一組研究人員首次拍到了微觀下原子在不同時間點的四維運動圖像，同時也發現一些現有教科書對物質相變「成核」過程的認知不準確的地方。

這個世界中物質狀態的切換（又稱物質相變），如凝結、熔化或氣化，都始於成核階段，這個階段中若干原子組成的群組，也叫凝結核，彼此合併到一起。很多自然現象都經過成核的階段，從雲霧的形成到神經退化性疾病的發作等。

加州大學洛杉磯分校（UCLA）的研究組利用電子斷層掃瞄術（electron tomography），首次拍下鐵鉑合金的納米微粒的成核過程。研究人員表示，一萬個這種納米粒子並排擺在一起才有人類的一根頭髮粗。

研究人員將鐵鉑合金加溫到520攝氏度，分別在9分鐘、16分鐘和26分鐘的時間點拍攝其內部原子的成核過程。

在這個過程中，合金實現兩種物態的轉換，不過肉眼分辨不出來，只有在微觀下才能看到原子排列情況的不同。

研究人員觀察到，加熱後，凝結核內的原子從原來鐵和鉑原子無序的狀態，變為鐵原子和鉑原子層交替排列的有序狀態。研究人員打比方說，加熱前的原子核就像沒整理過的魔方；受熱後就像整理好的魔方，各面顏色一致。

這份研究拍照追蹤了一個納米粒子中的33個凝結核的前後三個時間點的狀態。這些凝結核很小，有的裏面只有13個原子。

這份研究的作者之一UCLA的物理和天文學教授Jianwei Miao說，研究過程要確保追蹤的是相同的這些原子核難度相當大，「人們說大海撈針很難，那麼在一萬億個原子中三次找到相同的原子，有多難？」

他們觀察到了凝結核與現有物理學認知不相符的幾個地方：

● 現有理論認為凝結核是圓形的，他們觀察到其形狀是不規則的；

● 現有理論認為凝結核有明確的邊界，但是他們觀察到其內部的原子分佈並不一致，中心有一組排列有序的原子，但是越靠近凝結核的表面，原子的排列越無序；

● 現有理論認為凝結核達到一定大小後只能變得更大，但是他們觀察發現情況複雜得多，變大、變小、分組、合併各種情況都會出現，甚至還出現凝結核消失的情況。

Miao說：「這真的是一個開創性的實驗，我們不僅精確分辨、定位到單個原子，還第一次追蹤了他們的四維運動。」

研究人員表示，這些發現將對物理、化學、材料學、環境科學和神經學多個領域產生重要影響。

這份研究6月26日發表在《自然》（Nature）期刊上。#

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