Wglądy w nanowszechświat z dotąd niespotykaną ostrością szczegółów i szybkości�

Międzynarodowy zespół niemiecko-amerykański z udziałem fizyczek z TU Tais Gorkhover i Christopha Bostedta z Argonne National Laboratory oraz Northwestern University w Chicago udało się nakręcić filmy z wybuchami pojedynczych wolnych nanocząstek za pomocą superröntgenowego mikroskopu. Po raz pierwszy połączono rozdzielczość poniżej 8 nanometrów z bardzo wysoką rozdzielczością czasową 100 femtosekund. Czas naświetlania był tak krótki, że szybkie gazowe cząstki na obrazach wyglądały jak „zamrożone” i nie musiały być – jak to zwykle w mikroskopii – utrwalane. Dr Tais Gorkhover pracuje w Instytucie Optyki i Fizyką Atomową na TU w grupie badawczej Cluster i Nanokryształy, kierowanej przez prof. dr. Thomasa Möllera. Jej badania odbywają się w ramach fellowshipu Peter Paul Ewald Fundacji Volkswagena w laboratorium SLAC Stanford University w USA. Do eksperymentów zespół badawczy użył unikalnego lasera rentgenowskiego (Free Electron Laser), który potrafi produkować ekstremalnie krótkie i intensywne błyski rentgenowskie. Wyniki badań opublikowano właśnie w czasopiśmie Nature Photonics: DOI: 10.1038/NPHOTON.2015.264.

Nowoczesne metody obrazowania są mocno ograniczone, gdy potrzebne jest połączenie wysokiej rozdzielczości i ekstremalnej szybkości. Szybkie optyczne metody obrazowania koncentrują się zazwyczaj na obiektach makroskopowych. Mikroskopy elektronowe dają znacznie ostrzejszy obraz, jednak kosztem rozdzielczości czasowej ze względu na długi czas naświetlania. To sprawiło, że do tej pory nie można było bezpośrednio obrazować ultraw szybkie procesy w wolnych nanocząstkach. Zrozumienie takich procesów jest fundamentalnie ważne dla szerokiego spektrum zagadnień, od modelowania klimatu po nanotechnologię.

Ogólnie rzecz biorąc, wolne nanocząstki mogą znacznie zmieniać swoje właściwości, gdy zostaną utrwalone na powierzchniach. Aby możliwie jak najmniej zakłócić badane cząstki i ich dynamikę, zostały one sfotografowane podczas swobodnego lotu przez komorę próżniową. Te małe cząstki o średnicy 40 nanometrów (porównywalne do około tysięcznej grubości ludowego włosa) składały się ze stałego ksenonu. Zostały one zjonizowane za pomocą intensywnego lasera optycznego, mocno podgrzane i doprowadzone do eksplozji, a następnie oświetlone błyskami rentgenowskimi. Z wielu obrazów złożono film z pojedynczych wybuchów. „Ku naszemu zaskoczeniu, wybuchające cząstki wydawały się z czasem coraz mniejsze, zamiast – jak się spodziewaliśmy – rozprzestrzeniać się”, mówi Tais Gorkhover. To nieoczekiwane wyniki można wyjaśnić za pomocą modeli teoretycznych, w których cząstki nie rozprzestrzeniają się równomiernie, lecz „topią” od zewnątrz do środka.

Kolejny interesujący aspekt tej nowej metody to fakt, że po raz pierwszy udało się bezpośrednio obrazować dynamikę pojedynczych wolnych nanocząstek. Dotychczas większość badań czasowych opierała się na obserwacji wielu cząstek i na tym, co jest średnią wartością. Takie podejście może łatwo przeoczyć fundamentalne różnice, które na przykład zależą od wielkości, położenia i właściwości cząstek. „Już w wcześniejszych statycznych eksperymentach potwierdziliśmy, że tą metodą można odkrywać nieoczekiwane efekty, które wcześniej nie były dostrzegane. Teraz ta metoda w końcu jest dostępna także dla obrazowania czasowego”, mówi Gorkhover.

„Nasz eksperyment nie tylko dostarcza fundamentalnych wglądów w fizykę silnie przegrzanej materii, ale także toruje drogę dla wielu przyszłych eksperymentów, które będą badać szybkie dynamiki z wysoką rozdzielczością w unoszących się cząstkach”, wyjaśnia Christoph Bostedt. Takie dynamiki są na przykład istotne przy tworzeniu aerozoli, które mogą odbijać dużą część promieniowania słonecznego i są ważne dla modeli klimatycznych. Badania nad laserowo napędzanymi reaktorami fuzyjnymi oraz dziedzina nanoplasmoniki, nowa gałąź nanotechnologii, w której właściwości nanocząstek są kontrolowane za pomocą intensywnych pól świetlnych, również mogą skorzystać z nowej metodologii.

Oryginalna publikacja:

Tais Gorkhover i Christoph Bostedt et al.: Femtosekundowa i nanometryczna wizualizacja dynamiki strukturalnej w przegrzanych nanocząstkach, DOI: 10.1038/NPHOTON.2015.264