Трехмерные фемтосекундные снимки изолированных граненых наноструктур
Рентгеновская дифракция использовалась более ста лет для понимания структуры кристаллов или белков — например, в 1952 году таким образом была открыта хорошо известная структура двойной спирали ДНК, несущая генетическую информацию. В этом методе исследуемый объект бомбардируется коротковолновыми рентгеновскими лучами. Затем дифрагированные лучи интерферируют и, таким образом, создают характерные картины дифракции, из которых можно получить информацию о форме объекта.
По дифракционным картинам (красный) рентгеновских импульсов (серый), которыми бомбардируются наночастицы, исследователи из ETH могут рассчитать трехмерные изображения.
Предоставлено: ETH Zürich / Даниэла Рупп.
Вот уже несколько лет таким образом можно изучать даже отдельные наночастицы, используя очень короткие и чрезвычайно интенсивные импульсы рентгеновского излучения. Однако обычно это дает только двумерное изображение частицы. Группа исследователей под руководством профессора ETH Даниэлы Рупп вместе с коллегами из университетов Ростока и Фрайбурга, Технического университета Берлина и DESY в Гамбурге нашла способ также рассчитать трехмерную структуру по одной дифракционной картине, при которой на частицу можно «смотреть» со всех сторон. В будущем таким образом можно будет даже снимать 3D-фильмы о динамике наноструктур. Результаты этого исследования недавно были опубликованы в научном журнале Science Advances.
Даниэла Рупп является доцентом в ETH Zurich с 2019 года, где она возглавляет исследовательскую группу «Наноструктуры и сверхбыстрая рентгеновская наука». Вместе со своей командой она пытается лучше понять взаимодействие между очень интенсивными импульсами рентгеновского излучения и веществом. В качестве модельной системы они используют наночастицы, которые также изучают в Институте Пауля Шеррера. «В будущем у нового прибора Maloja есть большие возможности, на котором мы были первой группой пользователей, проводивших измерения в начале прошлого года. Прямо сейчас наша команда активирует аттосекундный режим, с помощью которого мы можем даже наблюдать за динамикой электронов», — говорит Рупп.
Более глубокий взгляд на динамические процессы
Недавно опубликованная работа является важным шагом на пути к этому будущему, как объясняет докторант Алессандро Коломбо: «Эта работа открывает окно для изучения динамических процессов чрезвычайно малых частиц в фемтосекундном режиме». Проблема дифракции рентгеновских лучей с использованием очень интенсивных импульсов заключается в том, что исследуемые объекты испаряются сразу после бомбардировки — «дифрагировать и уничтожать» на жаргоне исследователей.
Поскольку это означает, что можно сделать только один снимок наночастицы, естественно, хотелось бы получить от нее как можно больше информации. Чтобы вычислить более чем двухмерное изображение из дифракционной картины, до сих пор приходилось налагать на компьютерный алгоритм некоторые строго ограничивающие предположения о форме наночастицы, например, о ее симметрии. Однако таким образом любые мелкие детали частицы, которые отклоняются от этих предположений, остаются скрытыми. Более того, с этими алгоритмами многие настройки приходилось делать вручную.
Улучшенный алгоритм
«Именно здесь появляется наш новый метод», — говорит Рупп. «С нашим новым алгоритмом, который использует очень эффективный метод моделирования и умную стратегию оптимизации, мы можем автоматически создавать 3D-изображения наночастицы без необходимости предъявлять особые требования. Это позволяет нам видеть даже крошечные неровности, которые могут возникнуть в результате роста частицы».
Для достижения 3D-разрешения исследователи ETH используют не только ту часть дифракционной картины, которая преломляется под малым углом в несколько градусов, как это было принято до сих пор, но и широкоугольную часть в 30 и более градусов. Это означает, конечно, что количество извлекаемой информации резко возрастает, но усовершенствованный алгоритм справится и с этим.
Таким образом, из дифракционных картин отдельных наночастиц серебра размером 70 нанометров, которые бомбардируются импульсами рентгеновского излучения длительностью около 100 фемтосекунд, команда Руппа теперь может рассчитать 3D-изображения, которые показывают частицы под разными углами.
Снимки в свободном полете
«До сих пор нам не хватало этого третьего измерения, — говорит Рупп, — но теперь мы можем исследовать многие процессы либо впервые, либо с беспрецедентной точностью, например, как плавятся наночастицы за несколько пикосекунд или как накапливаются наностержни, образуя более крупные объектов». Решающим моментом является то, что снимки можно делать в свободном полете в вакууме, без необходимости фиксировать наночастицы на поверхности, как это делается в электронной микроскопии.
Более того, многие виды частиц нельзя даже положить на поверхность, потому что они слишком хрупкие или недолговечные. Но даже на те образцы, которые можно изучать с помощью электронного микроскопа, значительное влияние оказывает их взаимодействие с поверхностью. С другой стороны, в свободном полете процессы плавления или агрегации можно изучать без каких-либо помех.
