数据科学技术有助于更精确地测量原子位置

有时，材料的性质，如磁性和催化作用，可能会因为原子间间距的微小变化而发生剧烈变化，这在材料科学的术语中通常称为“局部应变”。因此，对这种局部应变的精确测量对于材料科学家来说非常重要。

用于此目的的一项强大技术是“高角度环形暗场成像”(HAADF)，这是扫描透射电子显微镜中的一种方法，可产生具有理论上与原子位置重合的亮点的图像。然而，在实践中，由于设备中的机械和电气噪声，HAADF 图像经常失真，将最小的可测量局部应变限制在略高于 1% 的范围内。

现在，由高级科学技术研究所 (JAIST) 助理教授 Kohei Aso 领导的一组科学家利用数据科学领域的方法更准确地测量材料中的应变分布，提高了 HAADF 的精度成像。这项研究发表在ACS Nano 上，是与九州大学的 JAIST 教授 Yoshifumi Oshima、当时的研究生 Jens Maebe、博士后研究员 Xua Quy Tran、助理教授 Tomokazu Yamamoto 和 Syo Matsumura 教授合作进行的。

该团队将 HAADF 成像与高斯过程回归 (GPR) 相结合，这是一种常用于机器学习以及经济学和地质学等领域的数据处理技术。在高斯过程中，假设数据的真实状态(在这种情况下，原子位置或位移)由平滑函数表示，并且在观察数据时将随机噪声添加到该“真实状态”中。通过 GPR 逆转这一过程，人们可以更准确地估计原子的真实位置，从而更精确地计算局部应变。具体来说，所提出的方法使团队能够以 0.2% 的精度测量应变。

该团队通过测量金纳米结构中的局部应变并比较拉伸应变，证明了他们方法的潜力金纳米球和不同长度的金纳米棒(基本上是带有半球帽的圆柱体)。这些比较表明，金纳米粒子中的应变分布根据它们的形状而变化，纳米棒在曲率突然变化的区域附近表现出约 0.5% 的拉伸应变。Aso 博士解释说：“众所周知，球形金纳米粒子在其整个表面受到均匀的应力，这种应力与表面张力成正比。因此，在垂直于表面的方向上会出现均匀的压缩应变。相反，在金纳米棒，施加到表面的应力变得不均匀，科学家们推测在某些地方应该发生拉伸应变。然而，直到现在，这还没有通过实验得到证实。”

有了这些发现，该团队对其应变测量策略的未来前景感到兴奋。“我们的技术将提供有关原子世界的详细信息，这对于开发具有高性能和小尺寸的创新材料和设备是必要的。这可能有助于开发采用纳米级材料和结构的设备和传感器。此外，该方法不需要昂贵的修改或复杂的程序，可以很容易地采用，”麻生太郎博士说。

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