每天从物质的一种状态过渡到另一种状态如冻结、熔化或蒸发-从一个叫做“成核”的过程开始，微小的原子或分子簇(称为“核”)开始合并。成核在各种环境中起着至关重要的作用，如云的形成和神经退行性疾病的发生。
一个由加州大学洛杉矶分校领导的研究小组获得了以前从未见过的关于核形成的观点捕捉原子如何以4D原子分辨率重新排列(即，在三维空间和跨时间)。发表在《自然》(Nature)杂志上的这一发现，与教科书上长期出现的基于经典成核理论的预测不同。
“这确实是一个开创性的实验——我们不仅能高精度定位和识别单个原子，还能首次在4D中监测它们的运动。”资深作家建伟“约翰”说他是加州大学洛杉矶分校的物理学和天文学教授，也是频闪仪国家科学基金会科学技术中心的副主任和加州大学洛杉矶分校纳米系统研究所的成员。
该团队的研究，包括来自劳伦斯伯克利国家实验室、科罗拉多大学博尔德分校、布法罗大学和内华达大学雷诺分校的合作者，建立在先前由苗的研究小组开发的强大成像技术的基础上。这种方法叫做“原子电子层析成像”使用位于伯克利实验室分子铸造厂的最先进的电子显微镜，用电子成像样品。样品是旋转的，就像CAT扫描产生人体三维x射线一样，原子电子断层扫描产生令人惊叹的材料中原子的三维图像。
缪和他的同事们研究了一种铁铂合金，这种合金可以形成纳米粒子，这种纳米粒子非常小，需要超过10000个纳米粒子并排放置，才能跨越人类头发的宽度。为了研究成核过程，科学家们将纳米颗粒加热到520摄氏度(968华氏度)，并分别在9分钟、16分钟和26分钟后拍照。在那个温度下，合金在两种不同的固相之间发生转变。
尽管合金在这两种状态下肉眼看起来是一样的，但仔细观察发现，三维原子排列是不同的。加热后，结构由杂乱的化学状态转变为更有序的结构，铁和铂原子层交替出现。合金的变化可以比作解魔方混合相位的所有颜色都是随机混合的，而有序相位的所有颜色都是对齐的。
在共同第一作者、加州大学洛杉矶分校博士后周继涵和杨永秀的带领下，研究小组对同样的33个核进行了追踪有的小到13个原子在一个纳米颗粒。
“人们认为大海捞针很困难，”苗说。“在超过一万亿个原子中，在三个不同的时间里找到同一个原子有多难?”
结果令人惊讶，因为它们与经典的成核理论相矛盾。那个理论认为原子核是完全圆的。相比之下，在这项研究中，原子核形成了不规则的形状。该理论还表明原子核有一个尖锐的边界。相反，研究人员观察到，每个原子核都包含一个核心原子，这些原子已经变成了新的有序相，但这种排列变得越来越杂乱，越来越靠近原子核的表面。
经典成核理论还指出，一旦原子核达到特定的尺寸，它只会从那里变得更大。但这个过程似乎要复杂得多:除了生长，研究中的细胞核还缩小、分裂和合并;一些完全溶解。
“成核在很多领域基本上都是一个未解决的问题，”该研究报告的作者之一、分子铸造厂(Molecular Foundry)的科学家彼得·埃尔西乌斯(Peter Ercius)说。分子铸造厂是一家纳米科学机构，为用户提供用于合作研究的前沿仪器和专业知识。“一旦你能想象一些东西，你就能开始思考如何控制它。”
这些发现提供了直接的证据，证明经典成核理论不能准确地描述原子水平上的现象。有关成核的发现可能会影响物理、化学、材料科学、环境科学和神经科学等广泛领域的研究。
“通过捕捉原子随时间的运动，这项研究为研究广泛的材料、化学和生物现象开辟了新的途径，”国家科学基金会项目官员Charles Ying说，他负责管理STROBE中心的资金。“这一革命性的结果需要在实验、数据分析和建模方面取得突破性进展，这一成果需要该中心的研究人员及其合作者的广泛专业知识。”
其他几位作者是加州大学洛杉矶分校的姚洋、丹尼斯·金、袁和田雪增;伯克利实验室的Colin Ophus和Andreas Schmid;纽约布法罗大学的孙帆和曾浩;科罗拉多大学博尔德分校的Michael Nathanson和Hendrik Heinz;内华达大学里诺分校的齐安。
这项研究主要由斯特罗布国家科学基金会科学技术中心资助，同时也得到了美国能源部的支持。
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