Olografia a raggi X in volo

(Immagine a sinistra) La radiazione a raggi X viene diffusa su due sfere e forma un caratteristico schema di interferenza chiamato ologramma. (Immagine al centro) Le variazioni delle dimensioni o della distanza tra le sfere si riflettono direttamente nell'ologramma e possono essere calcolate nuovamente da esso. (Immagine a destra) Se le due sfere non si trovano nello stesso piano, le frange di interferenza si trasformano in linee curve, dalle quali è possibile ricostruire la disposizione tridimensionale. Nella "Olografia in volo" la sfera più piccola viene utilizzata come riferimento olografico e quella più grande viene sostituita dal campione da analizzare. Dall'ologramma si può ricavare non solo la distanza, ma anche la struttura del campione attraverso il caratteristico schema di interferenza. (© Tais Gorkhover & Anatoli Ulmer)

Scienziate e scienziati del gruppo di ricerca del Prof. Thomas Möller presso l'Istituto di Ottica e Fisica Atomica della TU Berlin sono riusciti, insieme a un team internazionale, a sviluppare un nuovo tipo di olografia, chiamata «Olografia in volo» («In-Flight Holography»). Con questo metodo speciale di olografia a raggi X, sono state generate per la prima volta immagini ad alta risoluzione di nanoviruses, che in precedenza non dovevano essere fissati a una superficie — cioè, erano «in volo».

L'olografia si basa, in senso ampio, sull'interferenza — ovvero sovrapposizione — di raggi di luce. Un ologramma si crea quando la luce viene diffusa da un oggetto e sovrapposta a un raggio di riferimento. Questa sovrapposizione genera schemi di interferenza unici, dai quali, con l'aiuto di algoritmi specifici, è possibile calcolare le informazioni sulla struttura dell'oggetto. Ad esempio, negli ologrammi ottici, si può determinare la struttura tridimensionale di un oggetto.

Nell'ambito dei raggi X, l'olografia è uno strumento potente e consente, senza grandi calcoli, di ottenere approfondimenti unici sulla struttura di particelle microscopiche, come virus e altre nanoparticelle. «Uno svantaggio: finora, era necessario fissare i campioni, che sono di dimensioni nanometriche, su una superficie. Questo può rappresentare un problema per campioni biologici e sensibili, come i virus, poiché ogni metodo di fissaggio altera automaticamente il campione. L'immagine risultante non rappresenta quindi lo stato originale», spiega Anatoli Ulmer, coautore dello studio e dottorando presso la cattedra del Prof. Möller alla TU Berlin.

«La particolarità del nostro metodo consiste nel fatto che possiamo studiare nanoparticelle senza doverle modificare in anticipo. Inoltre, il procedimento permette una ricostruzione chiara e semplice del campione ed è meno soggetto a rumore di fondo e altri fattori di disturbo rispetto agli approcci non olografici», aggiunge Anatoli Ulmer.

In questo studio, i ricercatori hanno dimostrato che l'olografia a raggi X può essere applicata con successo anche a nanoparticelle non fissate in fase gassosa. L'esperimento è stato condotto principalmente da Dr. Tais Gorkhover, Prof. Dr. Christoph Bostedt e Anatoli Ulmer presso il laser a raggi X Linac Coherent Light Source (LCLS) in California, e la pubblicazione è stata scelta per la copertina dell'edizione di marzo di Nature Photonics.

Per le particelle di virus nel campione, è stato fornito un oggetto di riferimento, creando così le condizioni per una registrazione olografica. Come riferimento sono stati usati cosiddetti nanocluster: nanoball di Xenon sferici.

Sia i nanoviruses che i nanocluster sono stati iniettati nel fascio del laser a raggi X. Il campione viene irradiato con un impulso laser della durata di circa 100 femtosecondi (1 femtosecondo = 10^-15 secondi). La radiazione a raggi X viene diffusa sia sui nanocluster sia sui virus. I pattern di interferenza risultanti dal fascio diffuso vengono registrati con una telecamera speciale e contengono informazioni sulla struttura del virus.

«Senza l'olografia, le immagini di diffrazione devono essere analizzate in migliaia di passaggi con algoritmi complessi. La struttura deriva quindi dalla media di centinaia di possibili soluzioni. Al contrario, i nostri ologrammi possono essere interpretati in modo univoco in soli due passaggi», aggiunge il Dr. Tais Gorkhover, prima autrice dello studio, scienziata responsabile del team che ha condotto l'esperimento e ex collaboratrice della TU Berlin, attualmente impegnata alla Stanford University negli USA.

A lungo termine, questa tecnica olografica potrebbe aprire nuove strade per studiare meglio, ad esempio, nanoparticelle coinvolte nell'inquinamento atmosferico, nei processi di combustione e nella catalisi.

*Pubblicazione: Femtosecond X-ray Fourier holography imaging of free-flying nanoparticles; Nature Photonics, Volume 12, pagine 150–153 (2018), DOI: 10.1038/s41566-018-0110-y