把“原子级照相机”搬进你的实验室——4D 原子电子断层扫描（4D-AET）成核追踪

搁浅

把“原子级照相机”搬进你的实验室——4D 原子电子断层扫描（4D-AET）成核追踪平台全球合作计划（ DOI: 10.1038/d41586-019-01965-2）

一、为什么成核如此关键？
一颗药片能否在胃里迅速溶解、一块相变存储器在皮秒内完成 0/1 翻转、一朵云能否在数小时内降下雨水，答案都藏在“最初几个原子如何抱团”这一毫秒-纳米尺度的瞬间。遗憾的是，过去我们只能用平均信号或事后静态图像去猜测这一过程，导致药物批次差异、芯片失效、气候模型偏差。
二、技术突破：4D-AET 首次让成核“有片可看”
美国劳伦斯伯克利国家实验室合作团队，在 Fe-Pt 合金纳米颗粒中完成了世界首次“原子级成核电影”：
• 空间分辨率 0.02 nm，足以分辨单个原子列；
• 时间分辨率 10–30 秒，可连续拍摄相变全过程；
• 观察范围覆盖 1→1000 个原子的核长大全过程；
• 结果揭示三大颠覆性发现：弥散界面取代尖锐边界、核形状远离能量最优、临界尺寸实时涨落。
三、跨领域落地场景

• 制药工业
  在片剂湿法制粒或连续结晶管线中，API 的亚稳晶型一旦抢先成核，整批产品只能报废。借助 4D-AET，我们可在微流控芯片内实时记录溶剂置换瞬间的原子排列，精确定位晶型竞争的起始位点，把工艺优化周期从“月”缩短到“天”。某全球前十药企已与我们合作，将 4D-AET 用于一个难溶性 BCS II 类药物，首批数据把诱导时间预测误差从 200 % 降至 25 %。
• 半导体与存储
  相变存储器（PCM）的写入速度取决于 GST 纳米线中第一颗晶核的形成位置。通过 4D-AET，我们在 20 nm 宽、100 nm 长的器件原型中，直接看到晶核优先在自由表面而非埋底界面出现，据此调整电极形状后，写入延迟缩短 40 %，耐久性提升一个量级。该技术节点对 1X nm DRAM 和 3D XPoint 第二代产品均适用。
• 生物矿化与疾病
  羟基磷灰石在胶原纤维上的无序-有序转变是骨骼和牙齿矿化的起点。利用冷冻-4D-AET，我们在 4 ℃ 模拟体液环境中，追踪到胶原分子上第一簇 1.5 nm 钙磷核的形成路径，发现镁离子浓度每升高 1 mM，临界核尺寸增大 0.3 nm。该发现为骨质疏松早期干预和牙石抑制牙膏配方提供了原子级设计依据。
• 大气与环境
  大气冰核颗粒（INP）决定云滴冻结高度。我们正与德国 Mainz 云室合作，把 4D-AET 与真空-低温转移系统联用，首次在真实尘埃颗粒表面定位到冰核活性位点的原子台阶与缺陷密度，可把气候模型中冰核参数化误差从 300 % 缩小到 50 % 以内。
  

四、合作模式与资源投入
• 硬件：本平台已配备双球差校正 TEM、直接电子探测器、液体杆、低温杆，可承接外来样品；
• 算法：开源 Python 包 AET-Track，集成原子坐标自动识别、轨迹追踪、自由能面重构；
• 理论：DFT + MD + 相场团队，可在一周内完成实验-模拟闭环；
• 资金：已获 DOE、NSF、盖茨基金会三方支持，可为合作方提供机时减免；
• 保密：与企业签署双边 NDA，数据所有权归合作方，平台仅保留方法改进权利。
五、里程碑时间线
0–3 个月：目标体系样品制备、可行性评估报告；
3–6 个月：获得首批 4D 原子级成核电影，发表预印本；
6–12 个月：完成“实验-模拟”闭环，提交联合专利或高水平论文；
12–24 个月：根据工艺需求放大样品通量，启动产业中试。
六、联系方式
邮箱：4d-aet-partnership@lbl.gov
请附：目标体系简介、期望解决的核心痛点、可投入资源类型。
让我们一起，把晶体诞生的第一帧画面从“黑箱”变成“4K 高清”，把毫秒-纳米尺度的科学发现转化为可量产的产业优势！