Náhledy do nanokosmu s dosud nedosaženou ostrostí detailů a rychlostí

Americko-německý tým kolem fyzičky z TU Tais Gorkhover a Christopha Bostedta z Argonne National Laboratory a Northwestern University v Chicagu se podařilo natočit výbuchy jednotlivých volných nanodílků pomocí superrentgenového mikroskopu. Poprvé byla kombinována rozlišení pod 8 nanometry s velmi vysokým časovým rozlišením 100 femtosekund. Doba expozice snímku byla tak krátká, že rychlé plynné částice na obrázcích vypadaly, jako by byly „zmrzlé“, a proto je nebylo třeba – jako u mikroskopie obvyklé – fixovat. Dr. Tais Gorkhover zkoumá na TU Institut für Optik und Atomare Physik v pracovním týmu Cluster und Nanokristalle, který vede prof. Dr. Thomas Möller. Její výzkumy probíhají v rámci Peter Paul Ewald-Fellowship nadace Volkswagen ve velkém výzkumném laboratoři SLAC Stanfordovy univerzity v USA. Pro experimenty využívali vědci jedinečný rentgenový laser (Free Electron Laser), který dokáže produkovat extrémně krátké a intenzivní rentgenové záblesky. Výsledky výzkumu byly nyní publikovány v časopise Nature Photonics: DOI: 10.1038/NPHOTON.2015.264.

Moderní zobrazovací metody jsou velmi omezené, pokud je potřeba kombinace vysokého rozlišení a extrémní rychlosti. Rychlé optické zobrazovací metody se většinou zaměřují pouze na makroskopické objekty. Elektronové mikroskopy produkují podstatně ostřejší snímky, avšak na úkor časového rozlišení, které trpí dlouhou expozicí. Tento fakt doposud znemožňoval přímé zobrazení ultrarychlých procesů u volných nanodílů. Pochopení takových dějů je však zásadní pro široké spektrum otázek, od klimatologických modelů po nanotechnologii.

Obecně platí, že volné nanodíly mohou své vlastnosti výrazně měnit, jakmile jsou fixovány na povrchu. Aby bylo možné co nejméně narušit snímání zkoumaných částic a jejich dynamiku, byly proto během volného letu skrze vakuovou komoru zachycovány. Malé částice o průměru 40 nanometrů (srovnatelné s asi tisícinou tloušťky lidského vlasu) byly složeny z pevného xenonu. Částice byly ionizovány intenzivním optickým laserem, silně zahřáty a přivedeny k explozi, aby je následně bylo možné osvětlit rentgenovými záblesky. Z velkého množství snímků byl sestaven film jednotlivých explozí. „K našemu překvapení se zdálo, že explodující částice časem zmenšují, místo aby, jak jsme očekávali, expandovaly,“ říká Gorkhover. Toto nečekané zjištění bylo nakonec vysvětleno pomocí teoretických modelů, které ukazují, že částice se neexpandují rovnoměrně, ale „tavnou“ zevnitř ven.

Dalším zajímavým aspektem této nové metody je, že se poprvé podařilo přímo zobrazit dynamiku jednotlivých volných nanodílů. Dosud většina časově rozlišených studií vycházela z pozorování mnoha částic a tím i z průměrných hodnot. Při tom mohou být základní rozdíly, například podle velikosti, polohy či vlastností částic, snadno přehlédnuty. „V již dřívějších statických experimentech jsme potvrdili, že touto metodou lze objevit nečekané efekty, které dříve nebyly zaznamenány. Nyní je tento přístup konečně k dispozici i pro časově rozlišené zobrazování,“ říká Gorkhover.

„Náš experiment nejenže poskytuje fundamentální poznatky o fyzice silně přehřáté hmoty, ale také otevírá cestu pro řadu budoucích experimentů, které chtějí zkoumat rychlé dynamiky s vysokým rozlišením u volně plovoucích částic,“ vysvětluje Bostedt. Takové dynamiky jsou například důležité při tvorbě aerosolů, které mohou odrážet velkou část slunečního záření a jsou proto významné pro klimatické modely. Výzkum laserem poháněných fúzních reaktorů a oblast nanoplasmoniky, nového odvětví nanotechnologie, kde jsou vlastnosti nanodílů řízeny intenzivními světelnými poli, by rovněž mohly těžit z této nové metodiky.

Originální publikace:

Tais Gorkhover a Christoph Bostedt et al.: Femtosecond and nanometre visualization of structural dynamics in superheated nanoparticles, DOI: 10.1038/NPHOTON.2015.264