وبلاگ

Newswise – فناوری اشعه ایکس و فراگیری ماشین گرد هم می آیند تا ماهیت مواد پیچیده را روشن کنند.

یک صفحه کریستالی و یک صفحه شیشه ای ممکن است از بیرون شبیه به هم به نظر برسند، اما در داخل ساختار آنها بسیار متفاوت است. کریستال‌ها از الگوهای مرتب و تکرار شونده اتم‌ها تشکیل شده‌اند، در حالی که شیشه‌ها ساختاری بی‌نظم‌تر و شبیه مایع دارند.

برای دهه‌ها، دانشمندان با عینک‌ها گیج شده‌اند – این عینک‌ها چگونه شکل می‌گیرند، چه هستند و چرا این گونه رفتار می‌کنند. عینک ها درست در محل تلاقی مایع و جامد وجود دارند و ماهیت آنها را به روش های سنتی طبقه بندی و درک رفتار مواد گریزان می کند.

حتی گیج کننده تر و گریزان تر، مرحله ای از ماده به نام شیشه براگ است. هم خصوصیات مرتب کریستال ها و هم طبیعت بی نظم شیشه ها را همزمان نشان می دهد. دانشمندان آزمایشگاه ملی آرگون در وزارت انرژی ایالات متحده (DOE) به همراه همکاران دانشگاه کرنل و دانشگاه استنفورد، اخیراً شواهد تجربی برای وجود فاز براگ شیشه ای در یک ماده پیدا کردند.

تیم ویژگی‌های ظریف فنجان براگ را در حجم‌های زیاد تشخیص داد رونتگن پراکندگی داده ها با استفاده از یک جدید فراگیری ماشین یک ابزار تجزیه و تحلیل داده ها، خوشه بندی دمای اشعه ایکس، که در کرنل توسعه یافته است.

نتیجه آنها به تلاش بزرگتری در علم مواد مدرن برای کشف ماهیت عینک ها کمک می کند، ساختارهای اسرارآمیز آنها باعث ایجاد خواص مفید مواد برای کاربرد در الکترونیک، مهندسی هوافضا، معماری، پزشکی، مدیریت زباله های هسته ای و بسیاری موارد دیگر می شود. این مطالعه همچنین پتانسیل را نشان داد فراگیری ماشین الگوریتم ها به عنوان ابزارهای کشف قدرتمند در عصر داده های بزرگ

ری آزبورن، فیزیکدان ارشد در بخش علوم مواد Argonne و نویسنده می گوید: «ما می توانیم مقادیر عظیمی از داده های اشعه ایکس را در مدت زمان کوتاه جمع آوری کنیم و تجزیه و تحلیل دستی داده ها می تواند دیدن جنگل را برای درختان غیرممکن کند. در مورد مطالعه با ترکیبی از پیشرفته‌ترین فناوری‌های اشعه ایکس و محاسباتی، ما توانستیم امضایی را نمایان کنیم که مختص فاز شیشه‌ای براگ است.

ساختارهای اتمی همه بلورها – از جمله الماس، نمک خوراکی و حتی دانه‌های برف – چیزی را نشان می‌دهند که دانشمندان آن را نظم دوربرد می‌نامند، جایی که الگوی خاصی از اتم‌ها در سه بعدی در ماده تکرار می‌شوند. در این مطالعه، محققان حالت شیشه براگ را در یک کریستال مبتنی بر ErTe جستجو کردند₃که در ساختار خود نظم دوربرد خاصی دارد که دانشمندان آن را موج چگالی بار (CDW) می نامند.

با ترکیبی از پیشرفته‌ترین فناوری‌های اشعه ایکس و محاسباتی، ما توانستیم امضایی را آشکار کنیم که منحصر به فرد در فاز شیشه‌ای براگ است – فیزیکدان ارشد ری آزبورن

حدود سی سال پیش، این تئوری مطرح شد که مواد CDW می‌توانند میزبان حالت‌های شیشه‌ای براگ باشند، اگر اندکی هرج و مرج در ساختارهای آنها ایجاد شود. در ساخت نمونه های مورد استفاده در این آزمایش، دانشمندان دانشگاه استنفورد به طور تصادفی اتم های پالادیوم را در ErTe توزیع کردند.₃ کریستال ها برای تحمیل این نوع اختلال.

دانشمندان در Argonne’s Advanced Photon Source (APS)، یک مرکز کاربر دفتر علوم DOE، از خط پرتو 6-ID-D برای انجام پراکندگی اشعه ایکس بر روی نمونه ها استفاده کردند و صدها گیگابایت داده ساختاری سه بعدی را برای هر کریستال اندازه گرفتند.

در آزمایش‌های پراکندگی اشعه ایکس، زمانی که الگویی در ساختار نمونه تکرار می‌شود، دانشمندان آنچه را که اوج براگ نامیده می‌شود در داده‌ها مشاهده می‌کنند. «اصطلاح شیشه براگ تقریباً یک اکسیمورون است. ​”براگ” به قله های تیز براگ اشاره دارد که با کریستال های عالی که نظم دوربرد را نشان می دهند می بینید. متیو کروگستاد، دستیار فیزیکدان در APS و نویسنده این مطالعه می‌گوید و در یک لیوان، ویژگی‌های گسترده‌تر و پراکنده‌تری را می‌بینید که الگوهای محلی را نشان می‌دهند. اما در یک لیوان براگ، شما هر نوع ویژگی را همزمان می بینید.

این تیم اندازه گیری پراکندگی اشعه ایکس از نمونه ها را در دماهای بین 30 کلوین تا 300 کلوین انجام داد و نحوه تغییر ساختار آنها را ثبت کرد. بعد از این واقعیت فراگیری ماشین تجزیه و تحلیل انجام شده در کرنل تأیید کرد که در یک دمای انتقال مشخص، نمونه‌ها به حالتی منجمد می‌شوند که مقدار قابل توجهی از نظم دوربرد را حفظ می‌کند و در عین حال ویژگی‌های محلی را که مشخصه شیشه براگ است نشان می‌دهد.

کروگستاد می‌گوید: «می‌توانید یک کریستال ساده را به‌عنوان الگوی کامل مربع‌هایی در کنار یکدیگر در نظر بگیرید». وقتی اتم‌های پالادیوم تصادفی را معرفی می‌کنید، الگو به دلیل تصادفی بودن کمی تغییر می‌کند، اما به طور کامل شکسته نمی‌شود. ساختار ممکن است کمی خودسرانه باشد.

این کشف به این سوال دیرینه پاسخ می دهد که آیا یک نمونه CDW بی نظم نظم کریستالی خود را از دست می دهد و در صورت سرد شدن به تکه های کوچک تبدیل می شود یا به شیشه براگ تبدیل می شود. بینش ساختار و رفتار عینک‌های براگ این پتانسیل را دارد که طراحی مواد مفید را در خط تولید نشان دهد.

آ کاغذ در مورد مطالعه «امضای شیشه براگ در Pd_ایکسErTe₃ با خوشه بندی دمای پراش اشعه ایکس، در Nature Physics منتشر شده است. این کار توسط دفتر DOE علوم پایه انرژی، بخش علوم مواد و مهندسی پشتیبانی شد. علاوه بر کروگستاد و آزبورن، نویسندگان شامل کریشناناند مالالیا، جاشوا استراکوادین، ماجا دی. باخمن، آنیشا جی سینگ، استفان روزنکرانز، یان آر فیشر و یون آه کیم هستند.

درباره منبع فوتون پیشرفته

منبع فوتون پیشرفته (APS) دفتر علوم وزارت انرژی ایالات متحده در آزمایشگاه ملی آرگون یکی از پربازده‌ترین امکانات منبع نور پرتو ایکس در جهان است. APS پرتوهای ایکس با روشنایی بالا را در اختیار جامعه متنوعی از محققان در علم مواد، شیمی، فیزیک ماده متراکم، علوم زیستی و محیطی و تحقیقات کاربردی قرار می دهد. این اشعه ایکس برای مطالعه مواد و ساختارهای بیولوژیکی مناسب است. توزیع عنصری؛ حالات شیمیایی، مغناطیسی، الکترونیکی؛ و طیف گسترده ای از سیستم های مهندسی مهم از نظر فن آوری از باتری ها به اسپری های انژکتوری که همگی زیربنای رفاه اقتصادی، فنی و فیزیکی کشور ما هستند. هر سال بیش از 5000 محقق از APS برای تولید بیش از 2000 مقاله در توصیف اکتشافات چشمگیر و حل ساختارهای پروتئینی بیولوژیکی مهم تری نسبت به کاربران هر مرکز تحقیقاتی منبع نور پرتو ایکس استفاده می کنند. دانشمندان و مهندسان APS در حال ابداع فناوری هستند که زیربنای عملیات پیشرفته شتاب دهنده و منبع نور است. این شامل دستگاه‌های درج می‌شود که پرتوهای ایکس بسیار درخشان تولید می‌کنند، لنزهایی که پرتوهای ایکس را تا چند نانومتر متمرکز می‌کنند، ابزارهایی که نحوه تعامل پرتوهای ایکس با نمونه‌های مورد مطالعه را به حداکثر می‌رسانند، و نرم‌افزاری که جمع‌آوری و مدیریت می‌کند. حجم عظیمی از داده های حاصل از اکتشافات در APS.

این تحقیق از منابع موجود در Advanced Photon Source، یک مرکز کاربری دفتر علوم DOE ایالات متحده که توسط آزمایشگاه ملی Argonne تحت قرارداد شماره DE-AC02-06CH11357 برای دفتر علوم DOE اداره می‌شود، استفاده کرد.

آزمایشگاه ملی آرگون به دنبال راه حلی برای مشکلات مبرم ملی در علم و فناوری است. اولین آزمایشگاه ملی کشور، Argonne، تحقیقات پایه و کاربردی پیشرو را در تقریباً هر رشته علمی انجام می دهد. محققان Argonne از نزدیک با محققین صدها شرکت، دانشگاه و سازمان های فدرال، ایالتی و شهرداری همکاری می کنند تا به آنها کمک کنند تا مشکلات خاص خود را حل کنند، رهبری علمی آمریکا را ارتقا دهند و کشور را برای آینده ای بهتر آماده کنند. با کارکنان بیش از 60 کشور، Argonne توسط مدیریت می شود UChicago Argonne, LLC برای دفتر علوم وزارت انرژی ایالات متحده.

دفتر علوم وزارت انرژی ایالات متحده بزرگترین حامی تحقیقات پایه در علوم فیزیکی در ایالات متحده است و برای رسیدگی به برخی از مهم ترین چالش های زمان ما کار می کند. برای اطلاعات بیشتر مراجعه کنید https://energy.gov/scence.