Instantâneos 3D de femtossegundos de nanopartículas individuais

03 de março de 2023 (Notícias do Nanowerk) Os pesquisadores da ETH conseguiram tirar fotos tridimensionais de nanopartículas individuais usando pulsos de raios X extremamente curtos e fortes. No futuro, esta técnica pode até ser usada para fazer filmes 3D de processos dinâmicos em nanoescala. A difração de raios X é usada há mais de cem anos para entender a estrutura de cristais ou proteínas – por exemplo, em 1952, a conhecida estrutura de dupla hélice do DNA que carrega a informação genética foi descoberta dessa maneira. Nesta técnica, o objeto sob investigação é bombardeado com feixes de raios X de comprimento de onda curto. Os feixes difratados então interferem e assim criam padrões de difração característicos dos quais se pode obter informações sobre a forma do objeto. Há vários anos, é possível estudar até mesmo nanopartículas dessa maneira, usando pulsos de raios-X muito curtos e extremamente intensos. No entanto, isso normalmente produz apenas uma imagem bidimensional da partícula. Uma equipe de pesquisadores liderada pela professora da ETH Daniela Rupp, juntamente com colegas das universidades de Rostock e Freiburg, da TU Berlin e do DESY em Hamburgo, agora encontraram uma maneira de calcular também a estrutura tridimensional a partir de um único padrão de difração, então que se pode “olhar” para a partícula de todas as direções. No futuro, deve ser possível fazer filmes em 3D da dinâmica das nanoestruturas dessa maneira. Os resultados desta pesquisa foram publicados recentemente na revista científica Os avanços da ciência (“Instantâneos tridimensionais de femtossegundos de nanoestruturas facetadas isoladas”). A partir dos padrões de difração (vermelho) dos pulsos de raios X (cinza), com os quais as nanopartículas são bombardeadas, os pesquisadores do ETH podem calcular imagens tridimensionais. (Ilustração: ETH Zürich / Daniela Rupp) Daniela Rupp é professora assistente na ETH Zurich desde 2019, onde lidera o grupo de pesquisa “Nanostructures and ultra-fast X-ray science”. Juntamente com sua equipe, ela tenta entender melhor a interação entre pulsos de raios X muito intensos e a matéria. Como sistema modelo, eles usam nanopartículas, que também investigam no Instituto Paul Scherrer. “Para o futuro, há grandes oportunidades no novo instrumento Maloja, no qual fomos o primeiro grupo de usuários a medições externas de pagemake no início do ano passadocall_made. No momento, nossa equipe está ativando o modo attossegundo, com o qual podemos até observar a dinâmica dos elétrons”, diz Rupp.

Uma visão mais profunda dos processos dinâmicos

O trabalho recém-publicado é um passo importante para esse futuro, como explica o pesquisador de pós-doutorado Alessandro Colombo: “Com este trabalho, abrimos uma janela para estudos de processos dinâmicos das partículas extremamente pequenas no regime de femtossegundos”. O problema da difração de raios X com pulsos muito intensos é que os objetos sob investigação evaporam logo após o bombardeio – “difratar e destruir”, no jargão dos pesquisadores. Como isso significa que apenas um único instantâneo da nanopartícula pode ser feito, é claro que se deseja obter o máximo de informações possível dela. Para calcular mais de uma imagem 2D a partir do padrão de difração, até agora era necessário impor ao algoritmo do computador algumas suposições fortemente limitantes sobre a forma da nanopartícula, por exemplo, sua simetria. No entanto, desta forma, qualquer detalhe fino da partícula que se desvia dessas suposições permanece oculto. Além disso, com esses algoritmos, muitos ajustes tiveram que ser feitos manualmente.

Algoritmo aprimorado

“É aqui que entra nosso novo método”, diz Rupp: “Com nosso novo algoritmo, que usa um método de simulação muito eficiente e uma estratégia de otimização inteligente, podemos produzir automaticamente imagens 3D da nanopartícula sem ter que impor requisitos específicos. Isso nos permite ver até mesmo pequenas irregularidades, que podem surgir do processo de crescimento da partícula.” Para alcançar a resolução 3D, os pesquisadores da ETH não usam apenas a parte do padrão de difração que é difratada por um pequeno ângulo de alguns graus, como tem sido usual até agora, mas também a parte grande angular de 30 graus ou mais. Isso significa, é claro, que a quantidade de informações a serem recuperadas aumenta enormemente, mas o algoritmo aprimorado pode lidar com isso. Desta forma, a partir dos padrões de difração de nanopartículas de prata simples de 70 nanômetros de tamanho que são bombardeadas com pulsos de raios-X com duração de cerca de 100 femtossegundos, a equipe de Rupp pode agora calcular imagens 3D que mostram as partículas de diferentes ângulos.

Instantâneos em vôo livre

“Até agora estávamos perdendo essa terceira dimensão”, diz Rupp, “mas agora podemos investigar muitos processos pela primeira vez ou com precisão sem precedentes, por exemplo, como as nanopartículas se fundem em alguns picossegundos ou como os nanobastões se acumulam para formar objetos”. O ponto crucial é que os instantâneos podem ser feitos em vôo livre no vácuo, sem a necessidade de fixar as nanopartículas em uma superfície, como é feito na microscopia eletrônica. Além disso, muitos tipos de partículas não podem nem mesmo ser colocados em uma superfície porque são muito frágeis ou têm vida curta. Mas mesmo aquelas amostras que podem ser estudadas com um microscópio eletrônico são consideravelmente influenciadas por sua interação com a superfície. No vôo livre, por outro lado, os processos de fusão ou agregação podem ser estudados sem qualquer perturbação.

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