Istantanee 3D di nanoparticelle

La diffrazione dei raggi X viene utilizzata da più di cento anni per comprendere la struttura dei cristalli o delle proteine - la ben nota struttura a doppia elica del DNA, ad esempio, è stata scoperta in questo modo nel 1952. In questa tecnica, l'oggetto da analizzare viene bombardato con raggi X a onde corte. I fasci diffratti vengono poi sovrapposti, creando modelli di diffrazione caratteristici da cui si possono ottenere informazioni sulla forma dell'oggetto.

Da alcuni anni è possibile analizzare anche singole nanoparticelle utilizzando impulsi di raggi X molto brevi e altamente intensi. Tuttavia, di solito si ottiene solo un'immagine bidimensionale della particella. I ricercatori guidati dalla professoressa Daniela Rupp dell'ETH, insieme ai colleghi delle Università di Rostock e Friburgo, della TU di Berlino e del DESY di Amburgo, hanno ora trovato un modo per calcolare la struttura tridimensionale di una nanoparticella a partire da un singolo schema di diffrazione, in modo da poterla "vedere" da tutti i lati. In futuro dovrebbe essere possibile realizzare filmati 3D della dinamica delle nanostrutture. I risultati del team di ricerca sono stati recentemente pubblicati sulla rivista scientifica Science Advances.

Daniela Rupp è professoressa assistente presso l'ETH di Zurigo dal 2019, dove dirige il gruppo di lavoro "Nanostructures and Ultrafast X-ray Science". Insieme al suo team, cerca di comprendere meglio l'interazione tra impulsi di raggi X molto intensi e la materia. Come sistema modello utilizza le nanoparticelle, che studia all'Istituto Paul Scherrer e altrove. Il nuovo strumento Maloja, su cui stiamo lavorando, apre eccellenti opportunità per il futuro". pagina esternaAll'inizio dell'anno scorso come primo gruppo di utenti a misurare sono stati autorizzati a farlo. Al momento, il team in loco sta mettendo in funzione la modalità attosecondo, con la quale possiamo anche osservare la dinamica degli elettroni", dice Rupp.

Uno sguardo più approfondito ai processi dinamici

Il lavoro ora pubblicato è un passo importante verso questo futuro, spiega il ricercatore post-dottorando Alessandro Colombo: "Questo apre una finestra per studiare i processi dinamici delle particelle più piccole nell'intervallo dei femtosecondi"."Il problema della diffrazione di raggi X con impulsi molto intensi è che gli oggetti in esame evaporano immediatamente dopo il bombardamento - "immagine e distruzione", nel gergo dei ricercatori. Poiché in questo modo è possibile scattare una sola istantanea della nanoparticella, l'obiettivo è ovviamente quello di estrarre il maggior numero di informazioni possibile. Per calcolare più di un'immagine 2D dal modello di diffrazione, gli algoritmi informatici hanno finora dovuto fare ipotesi molto limitate sulla forma della nanoparticella, come la sua simmetria. Ciò significa che le sottigliezze della particella che si discostano da queste ipotesi rimangono nascoste. Inoltre, con questi algoritmi, molte impostazioni dovevano essere inserite e regolate manualmente.

Algoritmo migliorato

"Con il nostro nuovo algoritmo, che si avvale di un metodo di simulazione molto efficiente e di un'intelligente strategia di ottimizzazione, siamo in grado di creare automaticamente immagini 3D della nanoparticella senza dover fare alcuna specifica. Per ottenere una risoluzione 3D, i ricercatori dell'ETH non utilizzano solo la parte del modello di diffrazione che viene diffratta a un piccolo angolo di pochi gradi dall'oggetto, ma anche la parte "grandangolare" di 30 gradi e oltre. Ciò aumenta enormemente la quantità di informazioni da calcolare dai dati, ma l'algoritmo migliorato è in grado di far fronte anche a questo.

In questo modo, il team di Rupp è ora in grado di calcolare immagini 3D dai modelli di diffrazione di singole nanoparticelle d'argento di 70 nanometri, bombardate con impulsi di raggi X della durata di circa 100 femtosecondi, che mostrano le particelle da diverse angolazioni.

Istantanee in volo libero

"Finora ci mancava questa terza dimensione", dice Rupp, "ma ora possiamo studiare molti processi per la prima volta o con una precisione molto maggiore rispetto al passato, ad esempio come le nanoparticelle si fondono in pochi picosecondi o come i nanotubi si combinano per formare strutture più grandi". "Il fattore decisivo è che le istantanee delle particelle possono essere scattate in volo libero nel vuoto, cioè senza dover fissare le nanoparticelle a una superficie come avviene nella microscopia elettronica. Inoltre, molti tipi di particelle non possono essere depositati su una superficie perché sono troppo fragili e di breve durata. Ma anche i campioni che possono essere analizzati con un microscopio elettronico sono significativamente influenzati dall'interazione con la superficie. Nel volo libero, invece, i processi di fusione o aggregazione possono essere studiati senza alcuna interferenza.