深度學(xué)習(xí)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(xué)（Arizona State University）Peter A. Crozier團隊與紐約大學(xué)（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(xué)習(xí)去噪技術(shù)，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(jié)構(gòu)動態(tài)。這一技術(shù)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(zhuǎn)換的現(xiàn)象，從而導(dǎo)致應(yīng)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(jié)合這種無監(jiān)督去噪技術(shù)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(jié)構(gòu)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(shù)實現(xiàn)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(nèi)，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(zhuǎn)變?yōu)閇111]晶體終止層。
3D打印技術(shù)提升熱電材料性能，實現(xiàn)高效制冷
近日，來自維也納工業(yè)大學(xué)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(shù)，制備出高性能熱電材料，并組裝成熱電制冷器（TEC），實現(xiàn)了制冷效果新突破。
熱電制冷器是一種固態(tài)設(shè)備，通過電流的流動實現(xiàn)熱量從一側(cè)向另一側(cè)的傳遞，具有精確的局部溫度控制能力，廣泛應(yīng)用于實驗室芯片設(shè)備、中紅外傳感器和激光器、物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備以及個人溫控服裝等領(lǐng)域。然而，傳統(tǒng)熱電材料的低效率、復(fù)雜制造工藝以及高成本限制了其應(yīng)用。
研究團隊通過優(yōu)化墨水配方，確保3D打印結(jié)構(gòu)完整性，并在燒結(jié)過程中促進顆粒間的有效結(jié)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(shù)在熱電器件生產(chǎn)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(zhǔn)備橫截面樣品。
3D打印的銀硒材料的多孔微觀結(jié)構(gòu)和熱電表現(xiàn)：(a) 結(jié)構(gòu)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(xué)：光學(xué)準(zhǔn)晶體中的拓撲電荷向量
近期，以色列理工學(xué)院的Guy Bartal研究團隊聯(lián)手德國斯圖加特大學(xué)、杜伊斯堡-埃森大學(xué)等機構(gòu)，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(zhǔn)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(jù)Noether定理，物理系統(tǒng)中的對稱性與守恒量密切相關(guān)。準(zhǔn)晶體雖然沒有平移和全局旋轉(zhuǎn)對稱性，但在更高維度的空間中對稱性重新顯現(xiàn)。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(zhǔn)晶格的拓撲進行了研究，發(fā)現(xiàn)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(shù)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(shù)——相位分辨散射掃描近場光學(xué)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(zhǔn)晶格的拓撲性質(zhì)。
研究結(jié)果表明，不同相對相位配置會導(dǎo)致不同的四維拓撲電荷向量，這些向量遵循類似于其它標(biāo)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(zhǔn)晶格的二維投影，從而實現(xiàn)對不同拓撲狀態(tài)的識別。這一發(fā)現(xiàn)不僅為實驗探測準(zhǔn)晶體的熱力學(xué)性質(zhì)和四維及以上拓撲物理學(xué)提供了新途徑，還可能對未來的信息存儲、處理和傳輸技術(shù)產(chǎn)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(zhǔn)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(xué)準(zhǔn)晶體的特性。
研究準(zhǔn)晶體：（a）理論示意圖 (b) FIB制備 (c,d) 拓撲性質(zhì)表征
基于曲率介導(dǎo)的排空力構(gòu)建納米顆?；\目超晶格
面向超晶格可編程化設(shè)計與構(gòu)建難題，復(fù)旦大學(xué)董安鋼、李同濤團隊，李劍鋒團隊及新加坡南洋理工大學(xué)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(gòu)建復(fù)雜的超結(jié)構(gòu)，但大多數(shù)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(dǎo)的排空力下，表現(xiàn)出全局互鎖的自組裝行為。通過調(diào)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(gòu)建塊難以實現(xiàn)的控制水平。
研究發(fā)現(xiàn)，這些納米啞鈴可以長程有序地組裝成各種復(fù)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(xué)穩(wěn)定相，排空力在穩(wěn)定這些非緊密堆積結(jié)構(gòu)中起著至關(guān)重要的作用。
這一研究凸顯了非凸納米晶體在創(chuàng)建復(fù)雜架構(gòu)方面的巨大潛力。這些新型結(jié)構(gòu)在材料科學(xué)和凝聚態(tài)物理學(xué)中具有廣泛的應(yīng)用前景，比如在開發(fā)具有特定光學(xué)、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(jié)構(gòu)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(jié)構(gòu) (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(jié)構(gòu)圖
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