Inzichten in de nanowereld met tot nu toe onbereikbare detailscherpte en snelheid

Een Duits-Amerikaans team rondom de TU-physicus Tais Gorkhover en Christoph Bostedt van het Argonne National Laboratory en de Northwestern University in Chicago is erin geslaagd om explosies van individuele vrije nanodeeltjes te filmen met een superröntgenmicroscoop. Daarbij werd voor het eerst een resolutie van minder dan 8 nanometer gecombineerd met een zeer hoge temporele resolutie van 100 femtoseconden. De belichtingstijd van de opname was zo kort dat de snelle gasvormige deeltjes op de beelden als „bevroren“ leken en daarom niet – zoals gebruikelijk in de microscopie – gefixeerd hoefden te worden. Dr. Tais Gorkhover doet onderzoek aan het TU-instituut voor Optiek en Atomaire Fysica in de werkgroep Cluster en Nanokristallen, die wordt geleid door Prof. Dr. Thomas Möller. Haar onderzoek vindt plaats in het kader van een Peter Paul Ewald Fellowship van de Volkswagen Stiftung aan het SLAC Groots onderzoeksinstituut van de Stanford Universiteit in de VS. Voor de experimenten gebruikte het onderzoeksteam een uniek röntgenlaser (Free Electron Laser), dat extreem korte en intense röntgenflitsen kan produceren. De resultaten van het onderzoek zijn nu gepubliceerd in Nature Photonics: DOI: 10.1038/NPHOTON.2015.264.

Moderne beeldvormingstechnieken zijn sterk beperkt wanneer een combinatie van hoge resolutie en extreme snelheid nodig is. Snelle optische beeldvormingsmethoden richten zich meestal alleen op macroscopische objecten. Elektronenmicroscopen produceren veel scherpere beelden, maar lijdt daarentegen onder de lange belichtingstijd. Dit feit heeft er tot nu toe toe geleid dat ultrasnelle processen in vrije nanodeeltjes niet direct konden worden afgebeeld. Het begrijpen van dergelijke processen is echter fundamenteel belangrijk voor een breed scala aan vragen, variërend van klimaatmodellering tot nanotechnologie.

Over het algemeen kunnen vrije nanodeeltjes hun eigenschappen sterk veranderen zodra ze op oppervlakken worden vastgezet. Om de te onderzoeken deeltjes en hun dynamiek zo onaangetast mogelijk in beeld te brengen, werden de deeltjes tijdens de vrije vlucht door een vacuümkamer gefotografeerd. De kleine deeltjes met een diameter van 40 nanometer (vergelijkbaar met ongeveer duizendste van de dikte van een menselijk haar) bestonden uit vast Xenon. De deeltjes werden met een intensieve optische laser geïoniseerd, sterk verhit en tot explosie gebracht, om vervolgens met röntgenflitsen te worden belicht. Uit een groot aantal beelden werd een film samengesteld van afzonderlijke explosies. „Tot onze verrassing leken de exploderende deeltjes in de loop van de tijd kleiner te worden, in plaats van, zoals verwacht, uit te zetten“, zegt Tais Gorkhover. Dit onverwachte resultaat kon uiteindelijk worden verklaard met behulp van theoretische modellen, waarin de deeltjes niet gelijkmatig uitzetten, maar van buiten naar binnen „smelten“.

Een ander interessant aspect van deze nieuwe methode is dat het voor het eerst mogelijk was om dynamieken van individuele vrije nanodeeltjes direct af te beelden. Tot nu toe waren de meeste tijdsafhankelijke studies gebaseerd op de observatie van vele deeltjes en daarmee op gemiddelde waarden. Hierbij kunnen fundamentele verschillen, die bijvoorbeeld samenhangen met de grootte, de positie en de aard van de deeltjes, gemakkelijk over het hoofd worden gezien. „We hebben eerder in statische experimenten bevestigd dat je met deze aanpak onverwachte effecten kunt ontdekken die voorheen niet werden waargenomen. Nu is deze aanpak eindelijk ook beschikbaar voor tijdsafhankelijke beeldvorming“, zegt Gorkhover.

„Ons experiment biedt niet alleen fundamenteel inzicht in de fysica van sterk oververhitte materie, maar opent ook de weg voor een groot aantal toekomstige experimenten die snelle dynamieken met hoge resolutie in vrij zwevende deeltjes willen bestuderen“, legt Christoph Bostedt uit. Dergelijke dynamieken zijn bijvoorbeeld belangrijk bij de vorming van aerosolen, die een groot deel van de zonnestraling kunnen reflecteren en daarom relevant zijn voor klimaatmodellen. Ook het onderzoek naar laser-gedreven fusie-reactoren en het gebied van nanoplasmoniek, een nieuw veld binnen de nanotechnologie waar de eigenschappen van nanodeeltjes worden gecontroleerd met intensieve lichtvelden, zouden kunnen profiteren van de nieuwe methodiek.

Originele publicatie:

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