在奈米技術中，單個原子的位置可能至關重要——決定材料是作為半導體還是絕緣體，決定它是否觸發重要的化學過程或使其停止。精確定義奈米顆粒中每個原子的能力將使人們能夠完全控制奈米材料的性質和行為。但是，諸如電子顯微鏡和掃描隧道顯微鏡等深層原子成像技術對於奈米工程而言是不夠的，因為它們無法提供奈米技術專家所需的每個原子的精確數學座標。
“奈米結構的精美圖片激發了人們的想象力，但如果一張圖片價值千言萬語，那麼一張充滿精確原子座標的表格就價值千張圖片，”西蒙·比林格說，他在哥倫比亞大學和布魯克海文國家實驗室研究他所謂的奈米結構問題。比林格和他志同道合的同事們正在尋求結合各種方法，並以新穎的方式使用傳統技術。
定義日常固體的精確原子結構，相對於奈米結構固體而言，相對容易，因為它們具有物理學家稱之為長程或晶體有序的特徵：一種規則的、重複的結構，在原子或分子尺度上變化不大。
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科學家傳統上透過晶體學來檢查此類材料，晶體學依賴於散射技術：X射線或中子束照射到材料樣品上，原子散射和反射光束，形成稱為布拉格衍射峰的圖案（以威廉·亨利·布拉格爵士和他的兒子命名，他們在1903年發現了這種現象）。布拉格峰與原子層之間的間距有關，提供了可以從中以數學方式確定物質有序原子結構的細節。這種強大的方法揭示了從宇宙塵埃到我們自己的DNA等多種物質的原子是如何組合在一起的。
但是，晶體學無法提供奈米尺度所需的解析度，在奈米尺度上，結構差異發生在更短的距離內。當使用傳統晶體學檢查奈米材料時，“布拉格峰基本上會展寬並完全重疊，您將無法再將它們彼此區分開來，”比林格解釋說。“為晶體學開發的演算法失敗了，”他補充道，研究人員無法知道每個原子位於何處。沒有精確的結構資料，奈米技術製造仍然是一場近似和最佳猜測的遊戲。
由於簡單、一勞永逸的解決方案還遙遙無期，研究人員正在使用各種成像技術和數學方法的組合來馴服奈米結構問題。這種多方面策略從不同的資料集構建準確且有用的模型，這被稱為複雜建模。
比林格將晶體學與一種長期以來用於檢查非晶體物質（如玻璃和液體）的方法相結合。它利用了所謂的對分佈函式（PDF），該函式描述了在距另一個原子一定距離處找到一個原子的機率，並提供可以從中計算結構的統計資料。“PDF技術認識到布拉格峰之間存在所有這些資訊，”阿貢國家實驗室奈米尺度材料中心代理主任斯蒂芬·斯特里弗說。
2006年，比林格和他的同事們透過從第一性原理計算出碳60或巴克球分子的足球狀結構，證明了PDF策略。從那時起，他們開發了更多演算法來重建其他奈米尺度結構。
儘管巧妙的演算法是不可或缺的，但斯特里弗表示，成像技術也必須繼續改進。“目前X射線顯微鏡的聖盃，”他觀察到，“是將單個奈米物體放入X射線束中，不僅知道奈米級的形狀，還知道構成該奈米結構的每個原子的位置和化學身份。”同樣在阿貢中心的馬蒂亞斯·博德指出，光譜學方法——基於材料吸收或發射的光的研究——將是成像武器庫中的另一種武器。“通常在奈米科學中你想做的是將結構與某種作用於奈米尺度的性質聯絡起來，”他解釋說，並補充說光譜學將使研究人員“將例如顆粒的大小或形狀與特定的電子或磁性聯絡起來。”
馴服奈米結構問題將是實現奈米技術最終目標的關鍵：為特定功能定製設計奈米材料。“我們顯然離那還很遙遠，”比林格承認。儘管如此，他堅持認為，“這是一個豐富而令人興奮的問題，我很高興它還沒有解決。它給了我一些令人興奮的事情去做。”
注：本文最初以標題“大問題中的小問題”發表。