深度學習助力原位透射電鏡表征，
揭示納米粒子表面動態(tài)與不穩(wěn)定性
近日，亞利桑那州立大學（Arizona State University）Peter A. Crozier團隊與紐約大學（New York University）Carlos Fernandez-Granda團隊發(fā)表了一篇名為《Visualizing nanoparticle surface dynamics and instabilities enabled by deep denoising》的研究論文。研究通過深度學習去噪技術，顯著提升了電子顯微鏡的時空分辨率，成功觀察到了鉑納米粒子在一氧化碳環(huán)境下的表面動態(tài)與不穩(wěn)定性。
在這項研究中，團隊采用了一種全新的無監(jiān)督深度去噪框架，能夠在中等電子劑量下，以10毫秒的時間分辨率觀察納米粒子的表面結構動態(tài)。這一技術突破使他們能夠揭示納米粒子表面在有序和無序配置之間不斷轉換的現象，從而導致應力場滲透到表面下方，形成缺陷并使納米粒子變得不穩(wěn)定。結合這種無監(jiān)督去噪技術與原位電子顯微鏡，研究團隊顯著提升了時空表征能力，開啟了探索材料原子級結構動態(tài)的新窗口。
球差校正環(huán)境透射電鏡 Titan ETEM參與了表征工作，其先進的原位表征技術實現了400攝氏度樣品臺加熱，CO和H2氣體通入，同時又提供了原子尺度下高分辨高信噪比成像。
Pt顆粒表面的動態(tài)變化：(a-f) 在360毫秒時間段內，CO氣氛中1.2nm Pt顆粒表面的變化 (g,h) 從無序流動附加層轉變?yōu)閇111]晶體終止層。
3D打印技術提升熱電材料性能，實現高效制冷
近日，來自維也納工業(yè)大學的Maria Ibá?ez團隊發(fā)表了一篇題為《Interfacial bonding enhances thermoelectric cooling in 3D-printed materials》的文章。該研究通過運用先進的擠出式3D打印技術，制備出高性能熱電材料，并組裝成熱電制冷器（TEC），實現了制冷效果新突破。
熱電制冷器是一種固態(tài)設備，通過電流的流動實現熱量從一側向另一側的傳遞，具有精確的局部溫度控制能力，廣泛應用于實驗室芯片設備、中紅外傳感器和激光器、物聯網設備以及個人溫控服裝等領域。然而，傳統(tǒng)熱電材料的低效率、復雜制造工藝以及高成本限制了其應用。
研究團隊通過優(yōu)化墨水配方，確保3D打印結構完整性，并在燒結過程中促進顆粒間的有效結合，制備出了室溫下zT值高達1.42的p型鉍銻碲[(Bi,Sb)2Te3]材料和1.3的n型銀硒(Ag2Se)材料。所組裝的TEC在空氣中的制冷溫差達50°C，且具有良好的性能穩(wěn)定性。該方法不僅大幅降低了傳統(tǒng)制造工藝中的能耗和時間成本，還顯著減少了材料浪費，展示了3D打印技術在熱電器件生產中的巨大潛力。
雙束電鏡Helios G4 PFIB和Aquilos參與了樣品制備和表征，利用其先進的低電壓高分辨掃描成像獲得銀硒材料的表面形貌，通過低損傷離子束切割為透射實驗準備橫截面樣品。
3D打印的銀硒材料的多孔微觀結構和熱電表現：(a) 結構演化示意圖 (b) SEM圖像 (c) FIB圖像 (d-f) 熱電性能測量
四維拓撲學：光學準晶體中的拓撲電荷向量
近期，以色列理工學院的Guy Bartal研究團隊聯手德國斯圖加特大學、杜伊斯堡-埃森大學等機構，發(fā)表了一篇題為《Four-dimensional conserved topological charge vectors in plasmonic quasicrystals》的論文。該研究揭示了在二維準晶體中存在的四維拓撲電荷向量，并展示了其守恒定律。
根據Noether定理，物理系統(tǒng)中的對稱性與守恒量密切相關。準晶體雖然沒有平移和全局旋轉對稱性，但在更高維度的空間中對稱性重新顯現。研究團隊通過相位分辨和時域近場顯微鏡對五角形等離激元準晶格的拓撲進行了研究，發(fā)現其四維拓撲在二維投影中的演變過程。
具體而言，研究人員通過聚焦離子束加工技術在金表面上制備了五邊形耦合狹縫，用以激發(fā)表面等離激元（SPPs）。他們使用了兩種互補的技術——相位分辨散射掃描近場光學顯微鏡（s-SNOM）和時間分辨雙光子光電子顯微鏡（2PPE-PEEM）來表征這些準晶格的拓撲性質。
研究結果表明，不同相對相位配置會導致不同的四維拓撲電荷向量，這些向量遵循類似于其它標量系統(tǒng)的守恒定律。此外，研究還揭示了如何通過時間演變來控制等離激元準晶格的二維投影，從而實現對不同拓撲狀態(tài)的識別。這一發(fā)現不僅為實驗探測準晶體的熱力學性質和四維及以上拓撲物理學提供了新途徑，還可能對未來的信息存儲、處理和傳輸技術產生深遠影響。
雙束電鏡Helios NanoLab G3 UC參與了樣品制備的工作，利用其精準的聚焦離子束在金襯底上制備出五邊形耦合狹縫，使其具備了光學準晶體的特性。
研究準晶體：（a）理論示意圖 (b) FIB制備 (c,d) 拓撲性質表征
基于曲率介導的排空力構建納米顆粒籠目超晶格
面向超晶格可編程化設計與構建難題，復旦大學董安鋼、李同濤團隊，李劍鋒團隊及新加坡南洋理工大學倪冉團隊發(fā)表題為《Curvature-guided depletion stabilizes Kagome superlattices of nanocrystals》的論文。
通常，研究人員利用形狀各異的納米晶體和補丁顆粒來構建復雜的超結構，但大多數研究集中在凸形狀上。本研究第一次報道了非凸的啞鈴形納米晶體（納米啞鈴）在曲率引導的排空力下，表現出全局互鎖的自組裝行為。通過調整納米啞鈴的局部曲率，研究人員可以精確且靈活地控制粒子鍵合方向性，這是傳統(tǒng)凸形構建塊難以實現的控制水平。
研究發(fā)現，這些納米啞鈴可以長程有序地組裝成各種復雜的二維超晶格，包括具有手性的Kagome晶格。理論計算表明，Kagome晶格是一種熱力學穩(wěn)定相，排空力在穩(wěn)定這些非緊密堆積結構中起著至關重要的作用。
這一研究凸顯了非凸納米晶體在創(chuàng)建復雜架構方面的巨大潛力。這些新型結構在材料科學和凝聚態(tài)物理學中具有廣泛的應用前景，比如在開發(fā)具有特定光學、電子和催化性能的新材料方面。
透射電鏡Tecnai G2利用其多樣化的表征手段提供了不同角度的高分辨結構信息，包括高分辨透射圖像HRTEM，高角環(huán)形暗場掃描透射圖像HAADF-STEM、廣角電子衍射花樣WAED、選區(qū)電子衍射花樣SAED和能量色散 X 射線能譜EDS。
2D 納米啞鈴超晶格：(a,b,c,d) 單個納米啞鈴的結構 (e,f) 配對納米啞鈴的示意圖和透射圖像 （g,h,I,j）二維超晶格的透射圖像，電子衍射花樣和晶格結構圖
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