En film om mikroverdenen:Fysikere skaber nanopartikel billedserier

Tænk på det som en mikroskopisk film:En sekvens af røntgenbilleder viser eksplosionen af ​​overhedede nanopartikler. Billedserien afslører hvordan atomerne i disse partikler bevæger sig, hvordan de danner plasma og hvordan partiklerne ændrer form.

Metoden til at tage disse billeder er en fælles skabelse, der involverede Kansas State University-forskerne Artem Rudenko og Daniel Rolles, begge adjunkter i fysik.

Filmene hjælper videnskabsmænd med at forstå interaktioner mellem intenst laserlys og stof. Men endnu vigtigere, disse eksperimenter leder vejen til at filme forskellige processer, der involverer ultrahurtig dynamik af mikroskopiske prøver, såsom dannelsen af ​​aerosoler – som spiller en stor rolle i klimamodeller – eller laserdrevet fusion.

"Vi kan skabe en rigtig film af mikroverdenen, " sagde Rudenko. "Nøglen udvikling er, at nu kan vi tage sekvenser af billeder på nanoskalaen."

Rudenko og Rolles – begge tilknyttet universitetets James R. Macdonald Laboratory – samarbejdede med forskere ved SLAC National Accelerator Laboratory ved Stanford University, Argonne National Laboratory og Max Planck-institutterne i Tyskland. Deres udgivelse, "Femtosekund og nanometer visualisering af strukturel dynamik i overophedede nanopartikler, " vises i Naturfotonik .

I dette arbejde, samarbejdet brugte intense lasere til at opvarme xenon nanoskala klynger og tog derefter en række røntgenbilleder for at vise, hvad der skete med partiklerne. Billedserien blev en film af, hvordan disse objekter bevæger sig på niveau med femtosekunder, som er en milliontedel af en milliardtedel af et sekund.

"Det, der gør nano så interessant, er, at adfærden for mange ting ændrer sig, når du kommer til nanoskalaen, " sagde Rolles. "Nano-objekter bygger bro mellem bulkstof og individuelle atomer eller molekyler. Denne forskning hjælper os, når vi forsøger at forstå nanoobjekters adfærd, og hvordan de ændrer form og egenskaber inden for ekstremt korte tider."

Billederne af nanopartiklerne kan ikke tages med normalt optisk lys, men skal tages med røntgenstråler, fordi røntgenlys har nanometerbølgelængder, der gør det muligt for forskere at se objekter i nanoskala, sagde Rolles. Lysets bølgelængde skal passe til objektets størrelse.

For at tage billeder, forskerne havde brug for to ingredienser:meget korte røntgenimpulser og meget kraftige røntgenimpulser. Linac Coherent Light Source hos SLAC leverede disse to ingredienser, og Rudenko og Rolles rejste til Californien for at bruge denne maskine til at tage de perfekte billeder.

Fotooptagelsesmetoden og de billeder, den producerer, har adskillige anvendelser inden for fysik og kemi, sagde Rolles. Metoden er også værdifuld til at visualisere laser-interaktioner med nanopartikler og for det hastigt voksende område af nanoplasmonics, hvor nanopartiklernes egenskaber manipuleres med intense lysfelter. Dette kan være med til at bygge næste generations elektronik.

"Lysdrevet elektronik kan være meget hurtigere end konventionel elektronik, fordi nøgleprocesserne vil blive drevet af lys, hvilket kan være ekstremt hurtigt, " sagde Rudenko. "Denne forskning har et stort potentiale for optoelektronik, men for at forbedre teknologien, vi skal vide, hvordan en laser driver disse nanopartikler. Filmproduktionsteknologien er et vigtigt skridt i denne retning."

Rudenko og Rolles fortsætter med at forbedre filmfremstillingsprocessen. I samarbejde med universitetets fysikgruppe for bløde stoffer, de har udvidet rækken af ​​prøver, som kan sættes ind i røntgenmaskinen og nu kan producere film af guld og silica nanopartikler.