Instantanés femtosecondes 3D de nanoparticules uniques

03 mars 2023 (Actualités Nanowerk) Les chercheurs de l'ETH ont réussi à prendre des photos en trois dimensions de nanoparticules uniques en utilisant des impulsions de rayons X extrêmement courtes et fortes. À l'avenir, cette technique pourrait même être utilisée pour réaliser des films en 3D de processus dynamiques à l'échelle nanométrique. La diffraction des rayons X est utilisée depuis plus de cent ans pour comprendre la structure des cristaux ou des protéines - par exemple, en 1952, la structure bien connue en double hélice de l'ADN qui transporte l'information génétique a été découverte de cette manière. Dans cette technique, l'objet étudié est bombardé de faisceaux de rayons X de courte longueur d'onde. Les faisceaux diffractés interfèrent alors et créent ainsi des diagrammes de diffraction caractéristiques à partir desquels on peut obtenir des informations sur la forme de l'objet. Depuis plusieurs années, il est possible d'étudier ainsi même des nanoparticules isolées, en utilisant des impulsions de rayons X très courtes et extrêmement intenses. Cependant, cela ne donne généralement qu'une image bidimensionnelle de la particule. Une équipe de chercheurs dirigée par la professeure de l'ETH Daniela Rupp, en collaboration avec des collègues des universités de Rostock et de Fribourg, de la TU Berlin et de DESY à Hambourg, a maintenant trouvé un moyen de calculer également la structure tridimensionnelle à partir d'un seul motif de diffraction, donc que l'on peut "regarder" la particule dans toutes les directions. À l'avenir, il devrait même être possible de réaliser des films en 3D de la dynamique des nanostructures de cette manière. Les résultats de cette recherche ont récemment été publiés dans la revue scientifique Science Advances ("Instantanés tridimensionnels femtosecondes de nanostructures à facettes isolées"). À partir des diagrammes de diffraction (rouge) des impulsions de rayons X (gris), avec lesquelles les nanoparticules sont bombardées, les chercheurs de l'ETH peuvent calculer des images tridimensionnelles. (Illustration: ETH Zürich / Daniela Rupp) Daniela Rupp est professeure assistante à l'ETH Zurich depuis 2019, où elle dirige le groupe de recherche «Nanostructures et science des rayons X ultra-rapides». Avec son équipe, elle essaie de mieux comprendre l'interaction entre les impulsions de rayons X très intenses et la matière. Ils utilisent comme système modèle des nanoparticules, qu'ils étudient également à l'Institut Paul Scherrer. "Pour l'avenir, il y a de grandes opportunités avec le nouvel instrument Maloja, sur lequel nous avons été le premier groupe d'utilisateurs à effectuer des mesures de création de pages externes au début de l'année dernière, call_made. En ce moment, notre équipe active le mode attoseconde, avec lequel nous pouvons même observer la dynamique des électrons », explique Rupp.

Une vision plus approfondie des processus dynamiques

Le travail récemment publié est une étape importante vers cet avenir, comme l'explique le chercheur postdoctoral Alessandro Colombo : "Avec ce travail, nous ouvrons une fenêtre sur les études des processus dynamiques des particules extrêmement petites dans le régime femtoseconde." Le problème de la diffraction des rayons X à l'aide d'impulsions très intenses est que les objets étudiés s'évaporent immédiatement après le bombardement – ​​« diffracter et détruire » dans le jargon des chercheurs. Comme cela signifie qu'un seul instantané de la nanoparticule peut être réalisé, on aimerait bien sûr en tirer le plus d'informations possible. Pour calculer plus qu'une image 2D à partir du diagramme de diffraction, il fallait jusqu'à présent imposer à l'algorithme informatique des hypothèses fortement limitantes sur la forme de la nanoparticule, par exemple sa symétrie. Cependant, de cette manière, tout détail fin de la particule qui s'écarte de ces hypothèses reste caché. De plus, avec ces algorithmes, de nombreux ajustements devaient être faits à la main.

Algorithme amélioré

"C'est là qu'intervient notre nouvelle méthode", déclare Rupp : "Avec notre nouvel algorithme, qui utilise une méthode de simulation très efficace et une stratégie d'optimisation intelligente, nous pouvons produire automatiquement des images 3D de la nanoparticule sans avoir à imposer d'exigences spécifiques. Cela nous permet de voir même de minuscules irrégularités, qui peuvent résulter du processus de croissance de la particule. Pour obtenir une résolution 3D, les chercheurs de l'EPF n'utilisent pas seulement la partie du diagramme de diffraction qui est diffractée par un petit angle de quelques degrés, comme c'était la coutume jusqu'à présent, mais aussi la partie grand angle de 30 degrés ou plus. Cela signifie, bien sûr, que la quantité d'informations à récupérer augmente énormément, mais l'algorithme amélioré peut même faire face à cela. De cette manière, à partir des diagrammes de diffraction de nanoparticules d'argent uniques de 70 nanomètres bombardées d'impulsions de rayons X d'une durée d'environ 100 femtosecondes, l'équipe de Rupp peut désormais calculer des images 3D qui montrent les particules sous différents angles.

Instantanés en vol libre

"Jusqu'à présent, nous manquions cette troisième dimension", dit Rupp, "mais maintenant nous pouvons étudier de nombreux processus, soit pour la première fois, soit avec une précision sans précédent, par exemple, comment les nanoparticules fondent en quelques picosecondes ou comment les nanotiges s'accumulent pour former de plus grandes objets." Le point crucial est que les clichés peuvent être pris en vol libre dans le vide, sans avoir à fixer les nanoparticules sur une surface, comme cela se fait en microscopie électronique. De plus, de nombreuses sortes de particules ne peuvent même pas être posées sur une surface car elles sont trop fragiles ou de courte durée. Mais même les échantillons qui peuvent être étudiés au microscope électronique sont considérablement influencés par leur interaction avec la surface. En vol libre, en revanche, les processus de fusion ou d'agrégation peuvent être étudiés sans aucune perturbation.

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• La source: https://www.nanowerk.com/nanotechnology-news2/newsid=62496.php