3D-snapshots van nanodeeltjes

Röntgendiffractie wordt al meer dan honderd jaar gebruikt om de structuur van kristallen of eiwitten te begrijpen. In 1952 werd bijvoorbeeld op deze manier de bekende dubbele helixstructuur ontdekt van het DNA dat genetische informatie bevat. Bij deze techniek wordt het te onderzoeken object gebombardeerd met röntgenstralen met een korte golflengte. De afgebogen bundels interfereren dan en creëren zo karakteristieke diffractiepatronen waaruit men informatie kan halen over de vorm van het object.

Sinds enkele jaren is het mogelijk om zelfs enkele nanodeeltjes op deze manier te bestuderen, met zeer korte en zeer intense röntgenpulsen. Dit levert echter meestal alleen een tweedimensionaal beeld van het deeltje op. Een team van onderzoekers onder leiding van ETH-professor Daniela Rupp heeft samen met collega’s van de universiteiten van Rostock en Freiburg, de TU Berlijn en DESY in Hamburg nu een manier gevonden om ook de driedimensionale structuur uit een enkel diffractiepatroon te berekenen, dus dat men vanuit alle richtingen naar het deeltje kan “kijken”. In de toekomst moet het zelfs mogelijk zijn om op deze manier 3D-filmpjes te maken van de dynamiek van nanostructuren. De resultaten van dit onderzoek zijn onlangs gepubliceerd in het wetenschappelijke tijdschrift Wetenschappelijke vooruitgang.

Daniela Rupp is sinds 2019 assistent-professor aan de ETH Zürich, waar ze de onderzoeksgroep “Nanostructuren en ultrasnelle röntgenwetenschap” leidt. Samen met haar team probeert ze de interactie tussen zeer intense röntgenpulsen en materie beter te begrijpen. Als modelsysteem gebruiken ze nanodeeltjes, die ze ook aan het Paul Scherrer Institute onderzoeken. “Voor de toekomst liggen er grote kansen bij het nieuwe Maloja-instrument, waarop we begin vorig jaar als eerste gebruikersgroep metingen hebben gedaan. Op dit moment activeert ons team daar de attosecond-modus, waarmee we zelfs de dynamiek van elektronen”, zegt Rupp.

Een diepere kijk op dynamische processen

Het onlangs gepubliceerde werk is een belangrijke stap in de richting van die toekomst, zoals postdoctoraal onderzoeker Alessandro Colombo uitlegt: “Met dit werk openen we een venster op studies van dynamische processen van de extreem kleine deeltjes in het femtoseconde-regime.” Het probleem met röntgendiffractie met behulp van zeer intense pulsen is dat de onderzochte objecten onmiddellijk na het bombardement verdampen – “diffracteren en vernietigen” in het jargon van de onderzoekers.

Omdat er dan maar één momentopname van het nanodeeltje gemaakt kan worden, wil men er natuurlijk zoveel mogelijk informatie uit halen. Om meer dan een 2D-beeld uit het diffractiepatroon te berekenen, moest men het computeralgoritme tot nu toe enkele sterk beperkende aannames opleggen over de vorm van het nanodeeltje, bijvoorbeeld de symmetrie ervan. Op deze manier blijft elk klein detail van het deeltje dat afwijkt van die aannames echter verborgen. Bovendien moesten bij die algoritmen veel aanpassingen met de hand worden gedaan.

Verbeterd algoritme

“Hier komt onze nieuwe methode om de hoek kijken”, zegt Rupp. “Met ons nieuwe algoritme, dat gebruik maakt van een zeer efficiënte simulatiemethode en een slimme optimalisatiestrategie, kunnen we automatisch 3D-beelden van het nanodeeltje maken zonder dat we specifieke eisen hoeven te stellen. proces van het deeltje.”

Om 3D-resolutie te bereiken, gebruiken de onderzoekers van ETH niet alleen dat deel van het diffractiepatroon dat over een kleine hoek van enkele graden wordt afgebogen, zoals tot nu toe gebruikelijk was, maar ook het groothoekdeel van 30 graden of meer. Dat betekent natuurlijk dat de hoeveelheid op te halen informatie enorm toeneemt, maar zelfs dat kan het verbeterde algoritme aan.

Op deze manier kan het team van Rupp nu uit de diffractiepatronen van enkele zilveren nanodeeltjes van 70 nanometer groot die worden gebombardeerd met röntgenpulsen die ongeveer 100 femtoseconden duren, 3D-beelden berekenen die de deeltjes vanuit verschillende hoeken laten zien.

Momentopnamen in vrije vlucht

“Tot nu toe misten we die derde dimensie”, zegt Rupp, “maar nu kunnen we veel processen voor het eerst of met ongekende precisie onderzoeken, bijvoorbeeld hoe nanodeeltjes smelten in een paar picoseconden of hoe nanostaafjes zich ophopen om grotere deeltjes te vormen.” objecten.” Het cruciale punt is dat de snapshots in een vrije vlucht in vacuüm kunnen worden genomen, zonder de nanodeeltjes op een oppervlak te hoeven fixeren, zoals bij elektronenmicroscopie gebeurt.

Bovendien kunnen veel soorten deeltjes niet eens op een oppervlak worden geplaatst omdat ze te kwetsbaar of van korte duur zijn. Maar zelfs die monsters die met een elektronenmicroscoop kunnen worden bestudeerd, worden aanzienlijk beïnvloed door hun interactie met het oppervlak. Bij vrije vlucht daarentegen kunnen smelt- of aggregatieprocessen zonder enige verstoring worden bestudeerd.