Depuis plus d’un siècle, la diffraction des rayons X est utilisée pour comprendre la structure des cristaux ou des protéines. Par exemple, la structure en double hélice bien connue de l’ADN, qui contient des informations génétiques, a été découverte de cette manière en 1952.
À partir des diagrammes de diffraction (rouges) des impulsions de rayons X (grises) avec lesquelles les nanoparticules sont bombardées, les chercheurs de l’ETH peuvent calculer les images 3D. Crédit photo : ETH Zürich / Daniela Rupp
Avec cette méthode, des faisceaux de rayons X de courte longueur d’onde sont tirés sur l’objet à l’étude. L’interférence entre les faisceaux diffractés provoque des motifs de diffraction distincts, qui peuvent être utilisés pour déterminer la forme d’un objet.
À l’aide d’impulsions de rayons X très courtes et incroyablement puissantes, il a pu analyser même des nanoparticules uniques. Dans la plupart des cas, cela se traduit simplement par une représentation bidimensionnelle de la particule.
Selon une équipe de chercheurs dirigée par EPF Professeur Daniela Rupp et comprend des membres des universités de Rostock, Fribourg, TU Berlin et DESY Hambourg.
Des développements futurs permettront vraisemblablement d’enregistrer la dynamique des nanostructures en 3D. Journal scientifique La science avance Publication des résultats de l’étude.
Depuis 2019, Daniela Rupp est professeure assistante à l’ETH Zurich, où elle est chef de groupe pour le groupe de recherche «Nanostructures et science des rayons X ultrarapides».
Avec le soutien de son groupe, elle vise à mieux comprendre comment la matière interagit avec des impulsions de rayons X extrêmement puissantes. Ils utilisent des nanoparticules comme système modèle, qu’ils étudient également à l’Institut Paul Scherrer.
Pour l’avenir, il y a de grandes opportunités dans le nouvel instrument Maloja, dont nous avons été le premier groupe d’utilisateurs à prendre des mesures au début de l’année dernière. En ce moment, notre équipe active le mode attoseconde, avec lequel nous pouvons même surveiller la dynamique des électrons.
Daniela Rupp, professeure assistante, Département de physique, ETH Zurich
Une meilleure compréhension des processus dynamiques
Selon le chercheur postdoctoral Alessandro Colombo, l’étude récemment publiée marque une étape importante vers cet avenir.
Avec ce travail, nous ouvrons une fenêtre sur les études des processus dynamiques des particules ultrafines dans le régime femtoseconde.
Alessandro Colombo, chercheur postdoctoral, ETH Zurich
Un problème avec l’utilisation d’impulsions extrêmement intenses dans la diffraction des rayons X implique le fait que les objets à l’étude disparaissent rapidement après le bombardement, ou « diffraction et destruction », selon les chercheurs. Il est logique que l’on veuille extraire autant d’informations que possible des nanoparticules, car cela limite le nombre d’instantanés qui peuvent en être tirés.
Jusqu’à présent, il fallait imposer des hypothèses très restreintes sur la forme des nanoparticules à un algorithme informatique pour calculer plus d’une image 2D à partir du diagramme de diffraction.
Cela garde un secret sur le côté le plus petit de la particule qui s’écarte de ces hypothèses. De plus, de nombreux ajustements avec ces algorithmes ont dû être effectués manuellement.
Algorithme amélioré
Rob ajouté,C’est de là que vient notre nouvelle méthode. Grâce à notre nouvel algorithme, qui utilise une méthode de simulation hautement efficace et une stratégie d’optimisation intelligente, nous pouvons produire automatiquement des images 3D de nanoparticules sans imposer d’exigences spécifiques. Cela nous permet de voir même de petites irrégularités, qui peuvent résulter du processus de croissance des particules.«
Pour obtenir une précision 3D, les chercheurs de l’ETH utilisent non seulement la partie du diagramme de diffraction qui est déviée à un petit angle de quelques degrés, comme cela se faisait auparavant, mais aussi la partie qui a un grand angle de 30 degrés ou plus. Bien sûr, cela signifie que la quantité d’informations à récupérer augmente de façon exponentielle, mais le nouvel algorithme peut gérer cette augmentation.
L’équipe de Rupp peut désormais calculer des images 3D des particules sous différents angles en utilisant les schémas de diffraction de nanoparticules d’argent uniques, d’une taille de 70 nanomètres, qui sont frappées par des impulsions de rayons X d’une durée d’environ 100 femtosecondes.
Tirs en vol libre
Rob a ajouté,Jusqu’à présent, cette troisième dimension nous manquait, mais nous pouvons maintenant étudier de nombreux processus, soit pour la première fois, soit avec une précision sans précédent, par exemple, comment les nanoparticules se dissolvent en quelques picosecondes ou comment les nanobâtonnets s’agrègent pour former des objets plus gros.«
La clé est que les clichés peuvent être pris en vol libre dans le vide plutôt que d’avoir à épingler les nanoparticules sur une surface, comme dans un microscope électronique. De plus, de nombreuses particules ne peuvent même pas être déposées en surface car elles sont trop fragiles ou de courte durée.
Même les échantillons qui peuvent être examinés au microscope électronique sont fortement affectés par leur interaction avec la surface. D’autre part, les processus de fusion ou d’agrégation peuvent être examinés en vol libre sans aucune interruption.
Référence de la revue
Colombo, A.; et coll. (2023) Instantanés femtosecondes 3D de nanostructures à facettes isolées. La science avance. doi : 10.1126/sciadv.ade5839.
source: https://ethz.ch/fr.html
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