Instantáneas en 3D de nanopartículas

El punto crucial es que las instantáneas pueden tomarse en vuelo libre.

07.03.2023 - Suiza

Investigadores de la ETH han conseguido tomar imágenes tridimensionales de nanopartículas individuales utilizando pulsos de rayos X extremadamente cortos y potentes. En el futuro, esta técnica podría utilizarse incluso para realizar películas en 3D de procesos dinámicos a nanoescala.

La difracción de rayos X se utiliza desde hace más de cien años para comprender la estructura de cristales o proteínas; por ejemplo, en 1952 se descubrió de este modo la conocida estructura de doble hélice del ADN que transporta la información genética. En esta técnica, el objeto investigado se bombardea con haces de rayos X de longitud de onda corta. Los haces difractados interfieren y crean patrones de difracción característicos a partir de los cuales se puede obtener información sobre la forma del objeto.

Desde hace varios años es posible estudiar incluso nanopartículas individuales de este modo, utilizando pulsos de rayos X muy cortos y extremadamente intensos. Sin embargo, sólo se obtiene una imagen bidimensional de la partícula. Un equipo de investigadores dirigido por Daniela Rupp, catedrática de la ETH, junto con colegas de las universidades de Rostock y Friburgo, la TU de Berlín y el DESY de Hamburgo, ha encontrado ahora una forma de calcular también la estructura tridimensional a partir de un único patrón de difracción, de modo que se puede "mirar" la partícula desde todas las direcciones. En el futuro debería ser posible incluso hacer películas en 3D de la dinámica de las nanoestructuras de esta manera. Los resultados de esta investigación se han publicado recientemente en la revista científica Science Advances.

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Daniela Rupp es profesora asistente en la ETH de Zúrich desde 2019, donde dirige el grupo de investigación "Nanoestructuras y ciencia ultrarrápida de rayos X". Junto con su equipo intenta comprender mejor la interacción entre pulsos de rayos X muy intensos y la materia. Como sistema modelo utilizan nanopartículas, que también investigan en el Instituto Paul Scherrer. "Para el futuro hay grandes oportunidades en el nuevo instrumento Maloja, en el que fuimos el primer grupo de usuarios que realizó mediciones a principios del año pasado. En estos momentos, nuestro equipo está activando el modo de attosegundos, con el que podemos incluso observar la dinámica de los electrones", afirma Rupp.

Una visión más profunda de los procesos dinámicos

El trabajo publicado recientemente es un paso importante hacia ese futuro, como explica el investigador postdoctoral Alessandro Colombo: "Con este trabajo, abrimos una ventana a los estudios de los procesos dinámicos de las partículas extremadamente pequeñas en el régimen del femtosegundo". El problema de la difracción de rayos X con pulsos muy intensos es que los objetos investigados se evaporan inmediatamente después del bombardeo: "difractan y destruyen", en la jerga de los investigadores. Como esto significa que sólo se puede hacer una única instantánea de la nanopartícula, por supuesto que a uno le gustaría obtener de ella toda la información posible. Para calcular algo más que una imagen 2D a partir del patrón de difracción, hasta ahora había que imponer al algoritmo informático algunos supuestos muy restrictivos sobre la forma de la nanopartícula, por ejemplo su simetría. Sin embargo, de este modo, cualquier detalle fino de la partícula que se desvíe de esas suposiciones permanece oculto. Además, con esos algoritmos había que hacer muchos ajustes a mano.

Algoritmo mejorado

"Aquí es donde entra en juego nuestro nuevo método", afirma Rupp: "Con nuestro nuevo algoritmo, que utiliza un método de simulación muy eficiente y una estrategia de optimización inteligente, podemos producir automáticamente imágenes 3D de la nanopartícula sin tener que imponer requisitos específicos. Esto nos permite ver incluso pequeñas irregularidades, que pueden surgir del proceso de crecimiento de la partícula." Para lograr la resolución 3D, los investigadores de la ETH no sólo utilizan la parte del patrón de difracción que se difracta con un pequeño ángulo de unos pocos grados, como era habitual hasta ahora, sino también la parte de gran angular de 30 grados o más. Esto significa, por supuesto, que la cantidad de información a recuperar aumenta enormemente, pero el algoritmo mejorado puede hacer frente incluso a eso.

De este modo, a partir de los patrones de difracción de nanopartículas de plata individuales de 70 nanómetros de tamaño bombardeadas con pulsos de rayos X de unos 100 femtosegundos de duración, el equipo de Rupp puede calcular ahora imágenes en 3D que muestran las partículas desde distintos ángulos.

Instantáneas en vuelo libre

Hasta ahora nos faltaba esa tercera dimensión", dice Rupp, "pero ahora podemos investigar muchos procesos por primera vez o con una precisión sin precedentes, por ejemplo, cómo se funden las nanopartículas en unos pocos picosegundos o cómo se acumulan los nanorods para formar objetos más grandes". "El punto crucial es que las instantáneas pueden tomarse en vuelo libre en el vacío, sin tener que fijar las nanopartículas en una superficie, como se hace en microscopía electrónica. Además, muchos tipos de partículas ni siquiera pueden colocarse sobre una superficie porque son demasiado frágiles o de corta vida. Pero incluso las muestras que pueden estudiarse con un microscopio electrónico se ven considerablemente influidas por su interacción con la superficie. En vuelo libre, en cambio, los procesos de fusión o agregación pueden estudiarse sin perturbación alguna.

Nota: Este artículo ha sido traducido utilizando un sistema informático sin intervención humana. LUMITOS ofrece estas traducciones automáticas para presentar una gama más amplia de noticias de actualidad. Como este artículo ha sido traducido con traducción automática, es posible que contenga errores de vocabulario, sintaxis o gramática. El artículo original en Inglés se puede encontrar aquí.