在纳米技术中，单个原子的位置可能至关重要——决定材料是作为半导体还是绝缘体，决定它是否触发重要的化学过程或使其停止。精确定义纳米颗粒中每个原子的能力将使人们能够完全控制纳米材料的性质和行为。但是，诸如电子显微镜和扫描隧道显微镜等深层原子成像技术对于纳米工程而言是不够的，因为它们无法提供纳米技术专家所需的每个原子的精确数学坐标。
“纳米结构的精美图片激发了人们的想象力，但如果一张图片价值千言万语，那么一张充满精确原子坐标的表格就价值千张图片，”西蒙·比林格说，他在哥伦比亚大学和布鲁克海文国家实验室研究他所谓的纳米结构问题。比林格和他志同道合的同事们正在寻求结合各种方法，并以新颖的方式使用传统技术。
定义日常固体的精确原子结构，相对于纳米结构固体而言，相对容易，因为它们具有物理学家称之为长程或晶体有序的特征：一种规则的、重复的结构，在原子或分子尺度上变化不大。
支持科学新闻事业
如果您喜欢这篇文章，请考虑通过以下方式支持我们屡获殊荣的新闻事业： 订阅。通过购买订阅，您正在帮助确保未来能够继续讲述关于塑造我们当今世界的发现和想法的有影响力的故事。
科学家传统上通过晶体学来检查此类材料，晶体学依赖于散射技术：X射线或中子束照射到材料样品上，原子散射和反射光束，形成称为布拉格衍射峰的图案（以威廉·亨利·布拉格爵士和他的儿子命名，他们在1903年发现了这种现象）。布拉格峰与原子层之间的间距有关，提供了可以从中以数学方式确定物质有序原子结构的细节。这种强大的方法揭示了从宇宙尘埃到我们自己的DNA等多种物质的原子是如何组合在一起的。
但是，晶体学无法提供纳米尺度所需的分辨率，在纳米尺度上，结构差异发生在更短的距离内。当使用传统晶体学检查纳米材料时，“布拉格峰基本上会展宽并完全重叠，您将无法再将它们彼此区分开来，”比林格解释说。“为晶体学开发的算法失败了，”他补充道，研究人员无法知道每个原子位于何处。没有精确的结构数据，纳米技术制造仍然是一场近似和最佳猜测的游戏。
由于简单、一劳永逸的解决方案还遥遥无期，研究人员正在使用各种成像技术和数学方法的组合来驯服纳米结构问题。这种多方面策略从不同的数据集构建准确且有用的模型，这被称为复杂建模。
比林格将晶体学与一种长期以来用于检查非晶体物质（如玻璃和液体）的方法相结合。它利用了所谓的对分布函数（PDF），该函数描述了在距另一个原子一定距离处找到一个原子的概率，并提供可以从中计算结构的统计数据。“PDF技术认识到布拉格峰之间存在所有这些信息，”阿贡国家实验室纳米尺度材料中心代理主任斯蒂芬·斯特里弗说。
2006年，比林格和他的同事们通过从第一性原理计算出碳60或巴克球分子的足球状结构，证明了PDF策略。从那时起，他们开发了更多算法来重建其他纳米尺度结构。
尽管巧妙的算法是不可或缺的，但斯特里弗表示，成像技术也必须继续改进。“目前X射线显微镜的圣杯，”他观察到，“是将单个纳米物体放入X射线束中，不仅知道纳米级的形状，还知道构成该纳米结构的每个原子的位置和化学身份。”同样在阿贡中心的马蒂亚斯·博德指出，光谱学方法——基于材料吸收或发射的光的研究——将是成像武器库中的另一种武器。“通常在纳米科学中你想做的是将结构与某种作用于纳米尺度的性质联系起来，”他解释说，并补充说光谱学将使研究人员“将例如颗粒的大小或形状与特定的电子或磁性联系起来。”
驯服纳米结构问题将是实现纳米技术最终目标的关键：为特定功能定制设计纳米材料。“我们显然离那还很遥远，”比林格承认。尽管如此，他坚持认为，“这是一个丰富而令人兴奋的问题，我很高兴它还没有解决。它给了我一些令人兴奋的事情去做。”
注：本文最初以标题“大问题中的小问题”发表。