Perspectivas del nanomundo con una precisión y velocidad de detalles hasta ahora inalcanzables

Un equipo germano-estadounidense formado por la física de la TU Tais Gorkhover y Christoph Bostedt del Laboratorio Nacional Argonne y la Universidad Northwestern en Chicago ha logrado filmar explosiones de nanopartículas libres individuales con un microscopio de rayos X ultrarrápido. En este proceso, se combinó por primera vez una resolución inferior a 8 nanómetros con una resolución temporal muy alta de 100 femtosegundos. El tiempo de exposición de la toma fue tan corto que las partículas gaseosas rápidas en las imágenes parecían estar "congeladas" y, por lo tanto, no tuvieron que ser fijadas —como es habitual en la microscopía—. La Dra. Tais Gorkhover investiga en el Instituto de Óptica y Física Atómica de la TU en el grupo de trabajo de Agrupamientos y Nanocristales, dirigido por el Prof. Dr. Thomas Möller. Sus investigaciones se llevan a cabo en el marco de una beca Peter Paul Ewald de la Fundación Volkswagen en el laboratorio de investigación SLAC de la Universidad de Stanford en EE. UU. Para los experimentos, el equipo de investigación utilizó un láser de rayos X único en su tipo (láser de electrones libres), capaz de producir destellos de rayos X extremadamente cortos e intensos. Los resultados de la investigación han sido publicados en Nature Photonics: DOI: 10.1038/NPHOTON.2015.264.

Los métodos modernos de imagen están muy limitados cuando se requiere una combinación de alta resolución y velocidad extrema. Los procedimientos rápidos de obtención de imágenes ópticas generalmente se concentran solo en objetos macroscópicos. Los microscopios electrónicos producen imágenes mucho más nítidas, pero en contrapartida, la resolución temporal sufre debido a los largos tiempos de exposición. Hasta ahora, esta circunstancia había impedido la representación directa de procesos ultrasónicos en nanopartículas libres. Sin embargo, comprender estos procesos es fundamental para una amplia gama de cuestiones, desde la modelización climática hasta la nanotecnología.

En general, las nanopartículas libres pueden cambiar significativamente sus propiedades cuando se fijan a superficies. Para poder representar las partículas y su dinámica sin perturbaciones, se fotografiaron durante su vuelo libre a través de una cámara de vacío. Las diminutas partículas, con diámetros de 40 nanómetros (aproximadamente una milésima del grosor de un cabello humano), estaban hechas de xenón sólido. Las partículas fueron ionizadas con un láser óptico intenso, calentadas intensamente y provocadas a explotar, para luego ser iluminadas con destellos de rayos X. A partir de una gran cantidad de imágenes, se ensambló una película de explosiones individuales. "Para nuestra sorpresa, las partículas en explosión parecían hacerse más pequeñas con el tiempo, en lugar de, como se esperaba, expandirse", dice Tais Gorkhover. Este resultado inesperado pudo explicarse finalmente con modelos teóricos en los que las partículas no se expanden de manera uniforme, sino que "se funden" desde afuera hacia adentro.

Otro aspecto interesante de este nuevo método es que, por primera vez, se logró representar directamente las dinámicas de nanopartículas libres individuales. Hasta ahora, la mayoría de los estudios con resolución temporal se basaban en la observación de muchas partículas, y por lo tanto en valores promedios. Esto puede hacer que se pasen por alto diferencias fundamentales relacionadas, por ejemplo, con el tamaño, la posición y la naturaleza de las partículas. "Ya hemos confirmado en experimentos estáticos anteriores que con este enfoque se pueden descubrir efectos inesperados que antes no se percibían. Ahora, finalmente, este método también está disponible para procedimientos de imagen con resolución temporal", dice Gorkhover.

"Nuestro experimento no solo proporciona conocimientos fundamentales sobre la física de la materia sobrecalentada, sino que también allana el camino para una variedad de experimentos futuros que buscan investigar dinámicas rápidas con alta resolución en partículas en vuelo libre", explica Christoph Bostedt. Estas dinámicas son importantes, por ejemplo, en la formación de aerosoles, que pueden reflejar gran parte de la radiación solar y, por tanto, son relevantes para los modelos climáticos. También la investigación en reactores de fusión impulsados por láser y el campo de la nanoplasmonica, un área emergente en nanotecnología donde se controlan las propiedades de nanopartículas con campos de luz intensos, podrían beneficiarse de esta nueva metodología.

Publicación original:

Tais Gorkhover y Christoph Bostedt et al.: Visualización femtosegundo y nanométrica de la dinámica estructural en nanopartículas sobrecalentadas, DOI: 10.1038/NPHOTON.2015.264