Røntgenpulser afdækker gratis nanopartikler for første gang i 3D

For første gang, et tysk-amerikansk forskerhold har bestemt den tredimensionelle form af fritflyvende sølv-nanopartikler, ved hjælp af DESYs røntgenlaser FLASH. De små partikler, hundredvis af gange mindre end bredden af ​​et menneskehår, viste sig at udvise en uventet række forskellige former, som fysikerne fra det tekniske universitet (TU) Berlin, universitetet i Rostock, SLAC National Accelerator Laboratory i USA og fra DESY -rapport i det videnskabelige tidsskrift Naturkommunikation . Udover denne overraskelse, resultaterne åbner for nye videnskabelige ruter, såsom direkte observation af hurtige ændringer i nanopartikler.

Nanopartikler bliver stadig mere udbredt i vores hverdag. Disse små partikler, usynlig for det blotte øje, har udbredte applikationer, lige fra solcreme og maling til farvefiltre og elektroniske komponenter. De er endda lovende til medicinske formål, herunder kræftbehandling. "Funktionen af ​​nanopartikler er knyttet til deres geometriske form, som ofte er meget svært at bestemme eksperimentelt, "forklarer Dr. Ingo Barke fra University of Rostock." Dette er især udfordrende, når de er til stede som frie partikler, det er, i mangel af kontakt med en overflade eller en væske. "

Nanopartikelformen kan afsløres ud fra den karakteristiske måde, hvordan den spreder røntgenlys. Derfor, Røntgenkilder som DESY's FLASH muliggør et slags supermikroskop ind i nano-verdenen. Indtil nu, den rumlige struktur af nanopartikler er blevet rekonstrueret fra flere todimensionale billeder, som blev taget fra forskellige vinkler. Denne procedure er ukritisk for partikler på faste underlag, da billederne kan tages fra mange forskellige vinkler for på en unik måde at rekonstruere deres tredimensionelle form.

"At bringe nanopartikler i kontakt med en overflade eller en væske kan ændre partiklerne betydeligt, sådan at du ikke længere kan se deres egentlige form, "siger Dr. Daniela Rupp fra TU Berlin. En fri partikel, imidlertid, kan kun måles en gang under flyvning, før den enten slipper ud eller ødelægges af det intense røntgenlys. Derfor, forskerne ledte efter en måde at registrere hele den strukturelle information om en nanopartikel med en enkelt røntgenlaserpuls.

For at nå dette mål, forskerne ledet af prof. Thomas Möller fra TU Berlin og prof. Karl-Heinz Meiwes-Broer og prof. Thomas Fennel fra universitetet i Rostock anvendte et trick. I stedet for at tage sædvanlige småvinkelspredende billeder, fysikerne registrerede de spredte røntgenstråler i et bredt vinkelområde. "Denne tilgang fanger praktisk talt strukturen fra mange forskellige vinkler samtidigt fra et enkelt laserskud, "forklarer fennikel.

Forskerne testede denne metode på frie sølv -nanopartikler med diametre på 50 til 250 nanometer (0,00005 til 0,00025 millimeter). Eksperimentet bekræftede ikke kun gennemførligheden af ​​den vanskelige metode, men afdækkede også det overraskende resultat, at store nanopartikler udviser en meget større variation af former end forventet.

Formen på frie nanopartikler er et resultat af forskellige fysiske principper, især partiklernes bestræbelser på at minimere deres energi. Følgelig, store partikler sammensat af tusinder eller millioner af atomer giver ofte forudsigelige former, fordi atomerne kun kan arrangeres på en bestemt måde for at opnå en energisk gunstig tilstand.

I deres eksperiment, imidlertid, forskerne observerede talrige meget symmetriske tredimensionelle former, herunder flere typer kendt som platoniske og arkimediske kroppe. Eksempler omfatter den afkortede oktaeder (et legeme bestående af otte regelmæssige sekskanter og seks firkanter) og icosahedron (et legeme bestående af tyve ligesidede trekanter). Sidstnævnte er faktisk kun gunstig for ekstremt små partikler bestående af få atomer, and its occurrence with free particles of this size was previously unknown. "The results show that metallic nanoparticles retain a type of memory of their structure, from the early stages of growth to a yet unexplored size range, " emphasizes Barke.

Due to the large variety of shapes, it was especially important to use a fast computational method so that the researchers were capable of mapping the shape of each individual particle. The scientists used a two-step process:the rough shape was determined first and then refined using more complex simulations on a super computer. This approach turned out to be so efficient that it could not only determine various shapes reliably, but could also differentiate between varying orientations of the same shape.

This new method for determining the three-dimensional shape and orientation of nanoparticles with a single X-ray laser shot opens up a wide spectrum of new research directions. In future projects, particles could be directly "filmed" in three dimensions during growth or during phase changes. "The ability to directly film the reaction of a nanoparticle to an intense flash of X-ray light has been a dream for many physicists - this dream could now come true, even in 3D!, " emphasises Rupp.