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Images 3D de nanoparticules uniques avec des impulsions de rayons X courtes et puissantes

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Images 3D de nanoparticules uniques avec des impulsions de rayons X courtes et puissantes

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.

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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.« 

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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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La fin de tout, en direct, avec Katie Mack

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La fin de tout, en direct, avec Katie Mack


Catherine J. (Katie) Mack est cosmologiste théorique et titulaire de la chaire Hawking en cosmologie et communication scientifique à l’Institut périphérique de physique théorique de Waterloo, Ontario, Canada. Elle est auteur La fin de tout (parlant astrophysique).

La fin de tout

Katie Mack est une cosmologiste théorique spécialisée dans les liens entre l’astrophysique et la physique des particules… c’est-à-dire le très grand et le très petit. Elle travaille également sur des sujets liés à l’univers primitif, aux trous noirs et à la formation des premières galaxies. Elle est également une communicatrice scientifique reconnue. Son livre de 2020 s’intitule La fin de tout (parlant astrophysique) … qui commence au Big Bang et plonge ensuite dans certains des destins de l’univers dont vous avez peut-être entendu parler, comme le Big Crunch, le Heat Death, le Big Rip… et bien plus encore. Une critique de ce livre sur EarthSky.org a déclaré que c’était la combinaison parfaite d’un peu effrayant et d’un peu divertissant. Katie s’entretiendra avec Deborah Baird, fondatrice et rédactrice en chef d’EarthSky.

Quoi : Une interview avec la cosmologue Katie Mack, sur la fin de tout
Date : lundi 24 juin (en direct)
Heure : 12h15, heure centrale (17h15 UTC)

Depuis la page de description de Everything’s End sur Amazon

Un livre remarquable du New York Times * Un choix du club de lecture NPR SCIENCE FRIDAY * Élu meilleur livre de l’année par le Washington Post, The Economist, New Science, Publishers Weekly et The Guardian

De l’hôte de Le podcast de l’Univers avec John Green L’une des étoiles les plus dynamiques de l’astrophysique, « intéressante et élégante » (New York Times) Examinez cinq façons dont l’univers pourrait se terminer et les leçons surprenantes que chaque scénario révèle sur les concepts les plus importants de la cosmologie.

Nous savons que l’univers a eu un commencement. Avec le Big Bang, il s’est étendu d’un état de densité inimaginable à une boule de feu cosmique englobante en un liquide bouillant de matière et d’énergie, jetant les graines de tout, des trous noirs à une seule planète rocheuse en orbite autour d’une étoile près du bord de l’espace. univers. La galaxie spirale dans laquelle la vie telle que nous la connaissons a évolué. Mais qu’arrive-t-il à l’univers à la fin de l’histoire ? Qu’est-ce que cela signifie pour nous maintenant ?

La Dre Katie Mack réfléchit à ces questions depuis qu’elle est jeune étudiante, lorsque son professeur d’astronomie lui a dit que l’univers pouvait prendre fin à tout moment, en un instant. Cette révélation l’a mise sur la voie de l’astrophysique théorique. Aujourd’hui, avec un esprit vif et un humour vif, elle nous emmène dans un voyage fascinant à travers cinq des fins possibles de l’univers : le Grand Effondrement, la mort thermique, le Big Rip, la désintégration du vide (qui peut survenir à tout moment !) et la régression. Il nous présente les dernières avancées scientifiques et les concepts clés de la mécanique quantique, de la cosmologie, de la théorie des cordes et bien plus encore. La fin de tout C’est un voyage très agréable et étonnamment optimiste vers la distance la plus lointaine que nous connaissions.

Chez Amazon : la fin de tout (astrophysique)

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En résumé : rejoignez Deborah Byrd d’EarthSky et la cosmologiste théorique Katie Mack à 17h15 UTC (12h15 Centrale) le lundi 24 juin, alors qu’elles discutent de la fin de tout !

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Le Boeing Starliner est-il « coincé » dans l’espace ? Le retour sur Terre a été retardé une troisième fois, suscitant des inquiétudes

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Le Boeing Starliner est-il « coincé » dans l’espace ?  Le retour sur Terre a été retardé une troisième fois, suscitant des inquiétudes

La NASA a annoncé vendredi 21 juin que le retour sur Terre du Boeing Starliner depuis la Station spatiale internationale avait été retardé pour la troisième fois. Aucune nouvelle date de retour n’a été révélée, mais il s’agit du dernier de plusieurs retards annoncés après que le véhicule a rencontré divers problèmes lors de son trajet vers la station spatiale.

Inquiétude généralisée concernant le retard du troisième retour du Boeing Starliner (Reuters/Joe Skipper/File Photo) (Reuters)

Les astronautes Butch Wilmore et Sonny Williams ont décollé de Cap Canaveral le 5 juin. Par la suite, quatre fuites d’hélium et cinq pannes lors de 28 manœuvres de propulsion ont été signalées. Les autorités auraient un délai de 45 jours pour les restituer.

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Le modèle de retour du vaisseau spatial a été amarré au module Harmony de la Station spatiale internationale. Cependant, les responsables ont averti que le carburant d’Harmony était limité, suggérant qu’un retour devrait être planifié dès que possible. Initialement, Willmore et Williams devaient revenir le 13 juin.

Au milieu des inquiétudes généralisées concernant le retour en toute sécurité des astronautes, avec plusieurs messages affirmant que le Starliner est « coincé sur la Station spatiale internationale », certains messages sur les réseaux sociaux suggèrent que la situation n’est pas si mauvaise après tout. Rebecca Regan, une utilisatrice de X, qui semble avoir une connaissance directe de la situation, a affirmé que Wilmore et Williams « ne sont pas coincés », comme le prétendent certains rapports.

Voici quelques messages exprimant votre inquiétude :

Le Starliner est-il « coincé » dans l’espace ?

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« Non, Starliner n’est pas coincé dans l’espace. Non, Butch et Sonny ne sont pas bloqués. Nous avons un bon vaisseau spatial et un équipage heureux et en bonne santé. » nous a donné un petit encouragement pour nous remonter le moral », a-t-il déclaré sur X.

À ce sujet, Regan a cité Mark Nappi, responsable du programme Starliner au sein du personnel commercial de Boeing, qui a déclaré : « Le Starliner a très bien fonctionné et nous avons obtenu exactement ce que nous voulions de ce test en vol en apprenant des choses que vous ne pouvez apprendre qu’en volant. »

« L’équipage a apporté un soutien incroyable à cet apprentissage en orbite, en travaillant avec les équipes au sol pour améliorer et affiner l’expérience des futurs équipages », a ajouté Nappi, selon Reagan.

« Starliner rentrera chez lui avec Butch et Sonny ayant appris tout ce que nous pouvons en orbite », a ajouté Reagan.

Faisant écho aux commentaires de Reagan. L’expert spatial Jonathan McDowell a déclaré au New York Post que la situation n’est peut-être pas aussi désastreuse que certains l’imaginent. « Vous pouvez perdre certains dispositifs de propulsion et tout aller bien car il y en a beaucoup, mais il s’agit toujours du système de propulsion et vous voulez comprendre tout ce qui se passe », a-t-il déclaré. « Ils veulent s’assurer que ces petits problèmes ne cachent pas de plus gros problèmes. »

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Les collisions d’étoiles à neutrons repoussent les limites de la physique extrême

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Les collisions d’étoiles à neutrons repoussent les limites de la physique extrême

Lorsque des étoiles à neutrons entrent en collision, elles créent l’un des événements les plus passionnants et les plus complexes de l’univers. Les étoiles à neutrons, vestiges d’étoiles effondrées, sont incroyablement denses et petites.

Lorsque deux de ces étoiles sont proches l’une de l’autre, elles se rapprochent et finissent par entrer en collision. Cette collision génère une chaleur intense et de merveilleux phénomènes physiques.

Qu’est-ce qu’une étoile à neutrons ?

Une étoile à neutrons est le reste compact d’une étoile massive ayant subi une explosion de supernova.

Lorsqu’une étoile pesant entre 8 et 20 fois la masse de notre Soleil épuise son combustible nucléaire, elle s’effondre sous sa propre gravité. Le noyau est tellement comprimé que les protons et les électrons se combinent pour former des neutrons, créant ainsi une étoile à neutrons.

Ces étoiles ne mesurent qu’environ 20 kilomètres (12 miles) de diamètre, mais leur masse est environ deux fois celle du Soleil. Pour mettre sa densité en perspective, une cuillère à café de matière d’étoile à neutrons pourrait peser environ un milliard de tonnes sur Terre.

Les étoiles à neutrons ont des champs magnétiques extrêmement puissants et peuvent tourner rapidement, émettant des faisceaux de rayonnement qui peuvent être détectés comme des pulsars.

Malgré leur petite taille, les étoiles à neutrons constituent un laboratoire unique pour étudier le comportement de la matière dans des conditions extrêmes, contribuant ainsi à notre compréhension de la physique fondamentale.

La physique cachée des fusions d’étoiles à neutrons

Des simulations récentes menées par des physiciens de Université d’État de Pennsylvanie Fournit de nouvelles informations sur les collisions d’étoiles à neutrons. Les simulations ont révélé que les neutrinos chauds, qui sont de petites particules presque sans masse, peuvent être brièvement piégés à l’interface où les étoiles fusionnent.

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Cela ne dure que 2 à 3 millisecondes, pendant lesquelles les neutrinos interagissent avec la matière stellaire, contribuant ainsi à ramener les particules vers l’équilibre.

« Pour la première fois en 2017, nous avons observé des signaux, notamment des ondes gravitationnelles, provenant de la fusion de deux étoiles à neutrons binaires », a déclaré Pedro Luis Espino, chercheur postdoctoral à Penn State et à l’UC Berkeley, qui a dirigé la recherche.

« Cette découverte a suscité un grand intérêt pour l’astrophysique des étoiles à neutrons binaires. Comme nous ne pouvons pas reproduire ces événements en laboratoire, les simulations basées sur la théorie de la relativité générale d’Einstein sont le meilleur outil pour les comprendre. »

La nature des étoiles à neutrons

On pense que les étoiles à neutrons sont presque entièrement constituées de neutrons. Leur étonnante densité, surpassée seulement par les trous noirs, résulte de la fusion de protons et d’électrons en neutrons.

Le professeur David Radice, chef de l’équipe de recherche, a expliqué : « Avant leur fusion, les étoiles à neutrons sont en réalité froides, même si leurs températures atteignent des milliards de degrés Kelvin. »

« Leur densité signifie que cette chaleur ajoute très peu à l’énergie du système. Cependant, lors de l’impact, la température de l’interface peut atteindre des milliards de degrés Kelvin. Les photons ne peuvent pas s’échapper de cet environnement dense pour dissiper la chaleur, de sorte que les étoiles se refroidissent en émettant des neutrinos. »

Réactions post-collision

Lors d’une collision, les neutrons des étoiles se décomposent en protons, électrons et neutrinos.

Les conséquences directes de ce processus sont restées longtemps un mystère en astrophysique. Pour résoudre ce problème, l’équipe de recherche a créé des simulations détaillées qui modélisent la fusion et la physique qui en résulte.

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Ces simulations, qui nécessitent une puissance de calcul massive, ont montré que même les neutrinos peuvent être brièvement piégés par la chaleur et la densité de la collision.

En déséquilibre avec les noyaux d’étoiles plus froides, ces neutrinos chauds interagissent avec la matière stellaire.

« Ces événements extrêmes repoussent les limites de notre compréhension de la physique », a noté le professeur Radice. « La courte phase de non-équilibre de 2 à 3 millisecondes est celle où la physique la plus intéressante se produit. Une fois l’équilibre rétabli, la physique devient plus compréhensible. »

Implications pour le contrôle des fusions

Les interactions lors de la fusion peuvent affecter les signaux que nous détectons sur Terre à partir de ces événements.

« La façon dont les neutrinos interagissent avec la matière stellaire et sont émis affecte les oscillations du reste fusionné », a expliqué Espino.

« Cela affecte les signaux d’ondes électromagnétiques et gravitationnelles observés sur Terre. La prochaine génération de détecteurs d’ondes gravitationnelles peut être conçue pour détecter ces différences de signaux. Ainsi, nos simulations améliorent non seulement notre compréhension, mais guident également les futures expériences et observations. »

Ces simulations révolutionnaires ouvrent de nouvelles fenêtres sur la physique des collisions d’étoiles à neutrons, nous aidant à comprendre l’un des phénomènes les plus extrêmes et les plus fascinants de l’univers.

L’étude est publiée dans la revue Lettres d’examen physique.

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