加州大学洛杉矶分校（UCLA）加州纳米系统研究所研究人员发布了一套分步框架，用于确定非晶材料中原子的三维位置及其元素身份。非晶固体（如玻璃）缺乏晶体材料中可重复的原子排列模式，使得传统依赖周期性结构平均的测定方法难以直接适用。研究团队基于高度贴近真实实验条件的模拟电子显微数据，对流程中各环节对最终准确性的影响进行了逐步检验。

研究人员使用算法分析了严格模拟的纳米颗粒成像数据。以非晶硅石（玻璃的主要成分）为例，团队在有利成像条件下实现了对硅原子与氧原子三维位置的100%准确映射，定位精度约为七万亿分之一米。

研究团队指出，三维原子结构测定已有百年以上历史，但长期以来主要应用于晶体结构。这类方法通常依赖对重复出现的原子模式进行大规模平均处理。相比之下，在单个、非重复结构中实现对原子位置与元素身份的高精度测绘，直到近年才逐步具备可行性。该研究与另一篇同主题论文在《自然》杂志上连续发表。

两类计算成像技术

研究聚焦于过去25年由通讯作者、UCLA物理与天文学教授缪建伟（John Miao）开发的两种成像技术。

其中之一为原子电子断层扫描（atomic electron tomography，AET），通过电子束穿过样品时从不同角度获取多幅图像，并借助计算重建获得原子三维分布图。另一种为ptychography，这是一种计算显微技术：利用紧束电子束扫描样品，记录散射电子形成的图样，再通过算法重建图像，从而减少对物理透镜的依赖。

在模拟数据中检验误差与约束

为验证方法，研究人员采用严格模拟的AET与ptychographic数据集，这些数据在设计上高度模拟真实实验环境。算法需要处理多类误差来源，包括图像噪声、焦点的微小变化，以及环境温度引起的原子振动等。

研究将上述因素纳入基于量子力学的电子散射模拟，并在计算中引入已知约束条件，例如样品中存在的原子类型、相邻原子间的典型距离等，以优化最终的三维原子图谱。

潜在应用场景

研究人员表示，随着编程与硬件能力提升，相关算法通常会持续改进，AET与ptychography等计算显微技术有望为三维原子成像提供持续推动力。团队同时提到，揭示非晶材料的三维结构预计将对科学与工程领域产生广泛影响。

在应用层面，玻璃因其非晶结构而成为地球上最常见且用途广泛的材料之一。研究还提及，超薄电子器件、太阳能电池、可重写存储器、医疗设备与量子技术等新兴方向，往往依赖同样缺乏长程原子有序性的材料。

研究人员进一步指出，若未来技术进步使识别单个碳原子与氮原子成为可能，生物学研究也有望获得相应的三维成像能力。碳与氮是生命必需元素，且与本研究中映射的氧元素在元素周期表中相邻。