Tekintse meg a nanovilágot eddig elérhetetlen részletességgel és sebességgel

Egy német-amerikai csapat, a TU-fizikus Tais Gorkhover és Christoph Bostedt az Argonne Nemzeti Laboratóriumból és a Northwestern Egyetemről Chicagóban, sikeresen filmezte meg egyes szabadon lebegő nanorészecskék robbanásait egy szuperröntgengéppel. Ez első alkalommal sikerült olyan felbontást elérni, ami 8 nanométernél kisebb, és egy rendkívül magas időbeli felbontással, 100 femtoszekundummal kombinálni. A felvétel expozíciós ideje olyan rövid volt, hogy a gyors gázhalmazállapotú részecskék a képeken „lefagyva” jelentek meg, így nem kellett – a mikroszkópiában szokásos módon – fixálni őket. Dr. Tais Gorkhover az TU Optikai és Atomfizikai Intézetében dolgozik a Klaszterek és Nanokristályok csoportban, amelyet Prof. Dr. Thomas Möller vezet. Kutatásai a Volkswagen Alapítvány Peter Paul Ewald-ösztöndíjának keretében zajlanak a Stanford Egyetem SLAC Nagyberuházási Laboratóriumában az USA-ban. A kísérletekhez a kutatócsoport egy egyedülálló Röntgen-lazert (Szabad Elektronok Lézerét) használt, amely rendkívül rövid és intenzív röntgen-villanásokat képes előállítani. A kutatások eredményeit most a Nature Photonics folyóiratban publikálták: DOI: 10.1038/NPHOTON.2015.264.

A modern képalkotó eljárások erősen korlátozottak, ha magas felbontás és extrém gyorsaság kombinációjára van szükség. A gyors optikai képalkotó módszerek általában csak makroszkopikus objektumokra koncentrálnak. Az elektronmikroszkópok lényegesen élesebb képeket készítenek, azonban cserébe a időbeli felbontás szenved a hosszú expozíciós idő miatt. Ez eddig megakadályozta, hogy ultranagy sebességű folyamatokat közvetlenül ábrázoljunk szabad nanorészecskékben. Az ilyen folyamatok megértése alapvetően fontos számos kérdéskörben, a klímamodellezéstől a nanotechnológiáig.

Általánosságban elmondható, hogy a szabad nanorészecskék tulajdonságai jelentősen megváltoznak, amint felületeken rögzítjük őket. Annak érdekében, hogy a vizsgálandó részecskéket és dinamikájukat a lehető legkevésbé befolyásolva tudjuk megfigyelni, a részecskéket szabad repülés közben egy vákuumkamrában fényképezték le. A 40 nanométer átmérőjű, az emberi haj vastagságának ezredrészével összevethető, szilárd xenonból készült apró részecskék intenzív optikai lézerrel ionizálták, erősen felhevítették és felrobbantották, majd ezután röntgen-villanásokkal világították meg őket. Számos kép alapján egyetlen robbanásokat bemutató filmet állítottak össze. „Meglepetésünkre a robbanó részecskék idővel egyre kisebbnek tűntek, ahelyett, hogy – ahogy vártuk – terjeszkedtek volna” – mondja Gorkhover. Ez a váratlan eredmény végül elméleti modellekkel magyarázható, amelyek szerint a részecskék nem egyenletesen terjeszkednek, hanem kívülről befelé „olvadnak”.

Egy másik érdekes szempontja ennek az új módszernek, hogy első alkalommal sikerült közvetlenül ábrázolni az egyes szabadon lebegő nanorészecskék dinamikáját. Eddig a legtöbb időalapú tanulmány sok részecske megfigyelésén alapult, így átlagértékeket közölt. Ez könnyen elkerülheti az olyan alapvető különbségeket, amelyek például a részecskék méretéhez, helyzetéhez és tulajdonságaihoz kötöttek. „Korábbi statikus kísérleteinkben megerősítettük, hogy ezzel a megközelítéssel váratlan hatásokat lehet felfedezni, amelyeket korábban nem észleltek. Most végre ez a módszer is elérhető a időalapú képalkotó eljárásokhoz” – mondja Gorkhover.

„Kísérletünk nemcsak alapvető betekintést nyújt a túlmelegedett anyag fizikájába, hanem utat nyit számos jövőbeli kísérlet előtt, amelyek gyors dinamikákat vizsgálnak magas felbontással szabadon lebegő részecskékben” – magyarázza Bostedt. Ilyen dinamikák például fontosak aeroszolok képződésében, amelyek a napfény nagy részét visszaverik, így jelentősek a klímamodellek szempontjából. A lézerrel hajtott fúziós reaktorok kutatása és a nanoplaszmonika, egy új terület a nanotechnológiában, ahol a nanorészecskék tulajdonságait intenzív fényterületekkel irányítják, szintén profitálhat ebből az új módszertanból.

Original publikáció:

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