非晶态固体——如玻璃、塑料和非晶态薄膜等，在日常生活中应用广泛。从电信、电子产品到太阳能电池，随处可见它们的身影。

然而，由于缺乏长程顺序，无定形固体的三维(3D)原子结构，迄今为止无法直接通过常规的晶体学实验测定，成为困扰晶体科学家和材料学家们90多年的一大瓶颈。

在他们的研究中，美国加州大学洛杉矶分校（UCLA）华人科学家苗建伟（Jianwei Miao）教授团队的研究人员们，发展了一种原子分辨电子断层扫描技术（AET）方法，以实验确定非晶固体的三维原子位置。

2021年4月1日凌晨，他们的成果发表在《Nature》上——这是在国际上首次实现了对金属玻璃中所有原子的3D位置的实验测定。

据悉，团队利用上述AET技术，成功通过实验确定了金属玻璃中18000多个原子的精确位置，精度可达21 pm（万亿分之一米）！

实验过程中，他们用一种多组分非晶合金作为原理证明，定量表征了三维原子排列的中短程顺序。研究人员通过具有高冷却速率的碳热冲击技术合成了具有多金属成分的玻璃纳米粒子，该纳米粒子纳米颗粒由八种元素组成：Co，Ni，Ru，Rh，Pd，Ag，Ir和Pt。

结果观察到，虽然近程序的三维原子排列是几何无序的，但一些近程序的结构相互连接形成类晶体超团簇，并产生中距离有序。

研究人员们在非晶样品中发现了四种类型的类晶中程有序晶体：面心立方（face-centred cubic）、六边形密排立方体（hexagonal close-packed, body-centred cubic）、体心立方（body-centred cubic）和简单立方（simple cubic）共存，它们表现为平向移动而非取向有序。

通过比较两个模型发现，研究人员正确地识别了高达97.37%的原子，且其3D精度高达21 pm。

这些观察结果提供了直接的实验证据，支持金属玻璃有效簇状包装模型的总体框架。这些团簇充当“超原子”，它们以大于原子尺度的长度尺度紧密地堆积在一起，从而形成玻璃结构。

研究人员们期望，这项工作将为确定广泛的非晶固体的三维结构铺平道路，这将改变人们对非晶材料和相关现象的基本认识。

编译/前瞻经济学人APP资讯组

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