Röntgenholografia repülés közben

(A kép balra) A röntgensugárzást két gömb szórja vissza, és egy jellemző interferencia mintázatot hoz létre, amelyet hologramnak neveznek. (A kép középen) A gömbök méretének vagy távolságának változásai közvetlenül megjelennek a hologramon, és ebből is vissza lehet számítani őket. (A kép jobbra) Ha a két gömb nem ugyanabban a síkban van, az interferencia csíkok görbült vonalakká alakulnak, amelyekből a háromdimenziós elrendezés visszanyerhető. Az „In-Flight Holography” során a kisebb gömb holografikus referenciaként szolgál, míg a nagyobb a vizsgált mintával van helyettesítve. A hologramról nemcsak a távolság, hanem a minta szerkezete is visszanyerhető a jellemző interferencia segítségével. (© Tais Gorkhover & Anatoli Ulmer)

A TU Berlin Optikai és Atomfizikai Intézet Prof. Thomas Möller kutatócsoportjában dolgozó tudósok és egy nemzetközi csapat közösen sikerült kifejleszteniük egy új holográfiai módszert, az úgynevezett „In-Flight Holography”-t. Ezzel a speciális röntgenholográfiai technikával elsőként tudtak nagy felbontású képeket készíteni nanovírusokról, amelyeket korábban nem kellett felülethez rögzíteni – tehát „repülés közben” voltak.

A holográfia a legáltalánosabb értelemben az interferencián – azaz a fényhullámok egymásra hatásán – alapul. Egy hologram akkor keletkezik, amikor egy tárgy által szórt fényt egy referenciahullárral összegyűjtünk. Ez az összegzés egyedi interferencia mintázatokat hoz létre, amelyekből speciális algoritmusok segítségével ki lehet számítani az objektum szerkezetére vonatkozó információkat. Például optikai hologrammok esetében megállapítható egy tárgy háromdimenziós szerkezete.

A röntgen tartományban a holográfia erőteljes eszköz, és kevés számítási igénnyel nyújt egyedi betekintést apró részecskék, például vírusok és más nanorészecskék szerkezetébe. „Egy hátrány: eddig csak nanométeres méretű mintákat lehetett felülethez rögzíteni. Ez problémát jelenthet biológiai és érzékeny minták, például vírusok esetében, mivel minden rögzítési mód automatikusan módosítja a mintát. A készített kép így nem tükrözi az eredeti állapotot” – magyarázza Anatoli Ulmer, a tanulmány társszerzője és doktorandusza a Möller professzor által vezetett tanszéken a TU Berlinen.

„Az általunk alkalmazott módszer különlegessége egyrészt abban rejlik, hogy nanorészecskéket vizsgálunk anélkül, hogy azokat előzetesen meg kellene változtatni. Emellett a módszer lehetővé teszi a minta egyértelmű és egyszerű rekonstruálását, és kevésbé érzékeny a háttérzajokra és más zavaró tényezőkre, mint a nem holografikus megközelítések” – mondja Anatoli Ulmer.

Ebben a tanulmányban a kutatók kimutatták, hogy a röntgenholográfia sikeresen alkalmazható nem rögzített nanorészecskék esetében is a gázfázisban. A kísérletet vezető szerepet Dr. Tais Gorkhover, Prof. Dr. Christoph Bostedt és Anatoli Ulmer töltötték be a Kaliforniában található Linac Coherent Light Source (LCLS) röntgenlézerben, és a Nature Photonics márciusi számának címlapjára választották.

A mintában lévő vírusokhoz egy referenciamintát adtak, ezáltal létrehozva a holografikus felvétel feltételét. Referenciaként az úgynevezett nanoklusterokat használták: gömb alakú xenon nanoballokat.

Mind a nanovírusokat, mind a nanoklusterokat együttesen injektálták a röntgenlézer fókuszába. A minta egy kb. 100 femtosekundumos (1 femtosekundum = 10^-15 másodperc) lézerimpulzussal lett megvilágítva. A röntgensugár mind a nanoklustereken, mind a vírusokon szóródott. A szórt fény interferenciamintázatait egy speciális kamerával rögzítették, amelyek információkat tartalmaznak a vírus szerkezetéről.

„Holográfia nélkül a szórt képeket ezrek lépésben és összetett algoritmusok segítségével kellene elemezni. A szerkezet végül több száz lehetséges megoldás átlagolásával áll össze. Ezzel szemben a hologramjaink mindössze két lépésben egyértelműen értelmezhetők” – egészíti ki Dr. Tais Gorkhover, a tanulmány első szerzője, a kísérletet összeállító csapat vezető tudósa és a TU Berlin korábbi munkatársa, jelenleg a Stanford Egyetemen kutató.

Hosszú távon ez a holografikus módszer új utakat nyithat meg például nanorészecskék jobb tanulmányozására, amelyek szerepet játszanak a légszennyezésben, égési mechanizmusokban és katalízisben.

*Publikáció: Femtosekundumos röntgen Fourier holográfia a szabadon repülő nanorészecskéken; Nature Photonics, 12. kötet, 150–153. oldal (2018), DOI: 10.1038/s41566-018-0110-y