科学家首次拍到原子四维运动图像

就像CT扫描拍摄人体内部三维照片一样，一组研究人员首次拍到了微观下原子在不同时间点的四维运动图像，同时也发现一些现有教科书对物质相变“成核”过程的认知不准确的地方。

加州大学洛杉矶分校(UCLA)的研究组利用电子断层扫描术(electron tomography)，首次拍下铁铂合金的纳米微粒的成核过程。

这个世界中物质状态的切换(又称物质相变)，如凝结、熔化或气化，都始于成核阶段，这个阶段中若干原子组成的群组，也叫凝结核，彼此合并到一起。很多自然现象都经过成核的阶段，从云雾的形成到神经退化性疾病的发作等。

加州大学洛杉矶分校(UCLA)的研究组利用电子断层扫描术(electron tomography)，首次拍下铁铂合金的纳米微粒的成核过程。研究人员表示，一万个这种纳米粒子并排摆在一起才有人类的一根头发粗。

研究人员将铁铂合金加温到520摄氏度，分别在9分钟、16分钟和26分钟的时间点拍摄其内部原子的成核过程。

在这个过程中，合金实现两种物态的转换，不过肉眼分辨不出来，只有在微观下才能看到原子排列情况的不同。

研究人员观察到，加热后，凝结核内的原子从原来铁和铂原子无序的状态，变为铁原子和铂原子层交替排列的有序状态。研究人员打比方说，加热前的原子核就像没整理过的魔方;受热后就像整理好的魔方，各面颜色一致。

这份研究拍照追踪了一个纳米粒子中的33个凝结核的前后三个时间点的状态。这些凝结核很小，有的里面只有13个原子。

这份研究的作者之一UCLA的物理和天文学教授Jianwei Miao说，研究过程要确保追踪的是相同的这些原子核难度相当大，“人们说大海捞针很难，那么在一万亿个原子中三次找到相同的原子，有多难?”

他们观察到了凝结核与现有物理学认知不相符的几个地方：

● 现有理论认为凝结核是圆形的，他们观察到其形状是不规则的;

● 现有理论认为凝结核有明确的边界，但是他们观察到其内部的原子分布并不一致，中心有一组排列有序的原子，但是越靠近凝结核的表面，原子的排列越无序;

● 现有理论认为凝结核达到一定大小后只能变得更大，但是他们观察发现情况复杂得多，变大、变小、分组、合并各种情况都会出现，甚至还出现凝结核消失的情况。

Miao说：“这真的是一个开创性的实验，我们不仅精确分辨、定位到单个原子，还第一次追踪了他们的四维运动。”

研究人员表示，这些发现将对物理、化学、材料学、环境科学和神经学多个领域产生重要影响。

这份研究6月26日发表在《自然》(Nature)期刊上。