Intuizioni nel nanocosmo con una precisione e rapidità senza precedenti

Un team tedesco-americano composto dalla fisica TU Tais Gorkhover e Christoph Bostedt del Laboratorio Nazionale Argonne e della Northwestern University di Chicago è riuscito a filmare esplosioni di singoli nanoparticelle libere con un microscopio a raggi X superenergetici. Per la prima volta è stata combinata una risoluzione inferiore a 8 nanometri con un'elevata risoluzione temporale di 100 femtosecondi. Il tempo di esposizione della ripresa era così breve che le rapide particelle gassose nelle immagini apparivano come "congelate" e quindi non dovevano essere - come di consueto in microscopia - fissate. La Dr.ssa Tais Gorkhover lavora presso l'Istituto di Ottica e Fisica Atomica della TU nel gruppo di lavoro Cluster e Nanocristalli, diretto dal Prof. Dr. Thomas Möller. Le sue ricerche si svolgono nell'ambito di una borsa di studio Peter Paul Ewald della Volkswagen-Stiftung presso il laboratorio di ricerca SLAC della Stanford University negli Stati Uniti. Per gli esperimenti, il team di ricercatori ha utilizzato un laser a raggi X unico nel suo genere (Free Electron Laser), capace di produrre impulsi di raggi X estremamente brevi e intensi. I risultati delle ricerche sono stati pubblicati su Nature Photonics: DOI: 10.1038/NPHOTON.2015.264.

Le tecniche di imaging moderne sono fortemente limitate quando si necessita di una combinazione di alta risoluzione e rapidità estrema. Le tecniche di imaging ottico rapido si concentrano di solito solo su oggetti macroscopici. I microscopi elettronici producono immagini molto più nitide, ma a scapito della risoluzione temporale a causa dei lunghi tempi di esposizione. Questa situazione ha finora impedito di rappresentare direttamente processi ultraveloci in nanoparticelle libere. Tuttavia, la comprensione di tali processi è fondamentale per un ampio spettro di questioni, dalla modellazione climatica alla nanotecnologia.

In generale, le nanoparticelle libere possono modificare drasticamente le proprie proprietà una volta fissate su superfici. Per poter rappresentare senza alterazioni le particelle e la loro dinamica, sono state riprese durante il volo libero attraverso una camera a vuoto. Le minuscole particelle, con un diametro di circa 40 nanometri (paragonabile a circa un millesimo dello spessore di un capello umano), erano costituite da xenon solido. Le particelle sono state ionizzate da un intenso laser ottico, riscaldate intensamente e fatte esplodere, per poi essere illuminate con impulsi di raggi X. Da una serie di immagini è stato poi assemblato un film di esplosioni singole. "Con nostra sorpresa, le particelle in esplosione sembravano diventare più piccole nel tempo, anziché espandersi come ci aspettavamo", dice Tais Gorkhover. Questo risultato inatteso è stato infine spiegato con modelli teorici in cui le particelle non si espandono uniformemente, ma "si sciolgono" dall'esterno verso l'interno.

Un altro aspetto interessante di questa nuova metodologia è che per la prima volta si è riusciti a rappresentare direttamente le dinamiche di singole nanoparticelle libere. Finora, la maggior parte degli studi temporizzati si basava sull'osservazione di molti particelle e quindi sui valori medi. In questo modo, possono facilmente sfuggire differenze fondamentali legate, ad esempio, alla dimensione, alla posizione e alla natura delle particelle. "Già in precedenti esperimenti statici abbiamo confermato che con questo approccio si possono scoprire effetti inattesi, che prima non erano percepiti. Ora questa metodologia è finalmente disponibile anche per le tecniche di imaging temporizzato", afferma Gorkhover.

"Il nostro esperimento fornisce non solo approfondimenti fondamentali sulla fisica della materia fortemente surriscaldata, ma apre anche la strada a una serie di futuri esperimenti che vogliono studiare dinamiche rapide con alta risoluzione in particelle in sospensione", spiega Christoph Bostedt. Tali dinamiche sono importanti, ad esempio, nella formazione di aerosol, che può riflettere gran parte della radiazione solare e quindi essere rilevante per i modelli climatici. Anche la ricerca sui reattori a fusione guidati da laser e il campo della nanoplasmonica, un nuovo settore della nanotecnologia in cui le proprietà delle nanoparticelle vengono controllate con campi di luce intensi, potrebbero beneficiare di questa nuova metodologia.

Pubblicazione originale:

Tais Gorkhover e Christoph Bostedt et al.: Visualizzazione a femtosecondi e nanometri della dinamica strutturale in nanoparticelle superriscaldate, DOI: 10.1038/NPHOTON.2015.264