Giáo sư Xiaoqing Pan - tác giả chính của nghiên cứu (nguồn: UC Irvine).
Sử dụng các công cụ kính hiển vi hiện đại tại Viện Nghiên cứu Vật liệu của Đại học California, Irvine, các nhà khoa học đã tiến hành nung nóng các mẫu màng mỏng platin nanocrystalline và quan sát cơ chế xoay hạt với độ chi tiết chưa từng có. Nghiên cứu sử dụng các kỹ thuật tiên tiến như kính hiển vi điện tử truyền qua quét bốn chiều (4D-STEM) và kính hiển vi điện tử truyền qua quét (STEM) góc cao. Để giải quyết thách thức trong việc phân tích khối dữ liệu 4D-STEM khổng lồ, nhóm nghiên cứu đã phát triển một thuật toán mới dựa trên học máy để trích xuất những thông tin quan trọng. Các công cụ hình ảnh và phân tích mạnh mẽ này cung cấp cái nhìn trực tiếp, theo thời gian thực về các quá trình ở cấp độ nguyên tử, đặc biệt nhấn mạnh vai trò của các gián đoạn tại ranh giới hạt.
Giáo sư Xiaoqing Pan - tác giả chính của nghiên cứu cho biết, trong nhiều thập kỷ, các nhà khoa học đã suy đoán và đưa ra các lý thuyết về hiện tượng xảy ra tại ranh giới của các hạt tinh thể. Nhưng giờ đây, nhờ vào tiến bộ khoa học và công nghệ, chúng ta đã có thể chuyển từ lý thuyết sang quan sát thực tế. Ranh giới hạt (các mặt tiếp giáp giữa các hạt tinh thể riêng lẻ trong vật liệu đa tinh thể) được biết đến là nơi tồn tại những “khuyết tật” có thể ảnh hưởng đến khả năng dẫn điện và hiệu suất của điện năng. Các nhà nghiên cứu đã phát hiện rằng, sự xoay hạt trong các vật liệu này xảy ra thông qua sự lan truyền của các gián đoạn - các “khuyết tật” tuyến với đặc điểm của cả bước và sự lệch - dọc theo ranh giới hạt. Phát hiện này đã giúp nâng cao đáng kể hiểu biết về quá trình tiến hóa cấu trúc vi mô trong vật liệu nanocrystalline. Thông qua phân tích dữ liệu hỗ trợ bởi học máy, nghiên cứu cũng lần đầu tiên tiết lộ mối liên kết thống kê giữa xoay hạt và sự tăng trưởng hoặc co lại của hạt. Mối liên kết này xuất phát từ sự di chuyển của ranh giới hạt được điều khiển bởi chuyển động gián đoạn, như được xác nhận khi quan sát qua STEM và mô phỏng nguyên tử. Phát hiện này rất quan trọng vì nó không chỉ làm sáng tỏ cơ chế cơ bản của sự xoay hạt mà còn cung cấp cái nhìn sâu sắc về động lực học của vật liệu nanocrystalline.
Giáo sư Xiaoqing Pan chia sẻ, kết quả của nghiên cứu cung cấp bằng chứng định lượng, rõ ràng và có thể dự đoán về cơ chế xoay hạt trong vật liệu đa tinh thể ở quy mô nguyên tử. Nếu hiểu được cách các gián đoạn kiểm soát quá trình xoay hạt và di chuyển ranh giới hạt, có thể mở ra những chiến lược mới để tối ưu hóa cấu trúc vi mô của các vật liệu này. Nghiên cứu đã mở ra những triển vọng mới trong việc cải thiện hiệu suất và độ bền của các vật liệu đa tinh thể, giúp chúng trở nên hiệu quả và bền vững hơn trong nhiều ứng dụng khác nhau.
Xuân Bình (theo Science Daily)