Instantanés femtosecondes 3D de nanoparticules uniques

(Nouvelles de Nanwerk) Les chercheurs de l’ETH ont pu capturer des images 3D de nanoparticules uniques à l’aide d’impulsions de rayons X courtes et extrêmement puissantes. Cette technique pourrait être utilisée à l’avenir pour réaliser des films 3D de processus dynamiques à l’échelle nanométrique.

La diffraction des rayons X est utilisée depuis plus de cent ans pour comprendre la structure des cristaux ou des protéines – par exemple, en 1952, la structure en double hélice bien connue de l’ADN qui porte l’information génétique a été découverte de cette manière. Dans cette technique, l’objet étudié est bombardé de rayons X à courte longueur d’onde. Ensuite, les faisceaux diffractés se chevauchent et créent ainsi des motifs de diffraction distincts à partir desquels des informations sur la forme de l’objet peuvent être obtenues.

Il y a plusieurs années, il est devenu possible d’étudier même des nanoparticules uniques de cette manière, en utilisant des impulsions de rayons X très courtes et très intenses. Cependant, cela ne produit généralement qu’une image bidimensionnelle de la particule. Une équipe de chercheurs dirigée par la professeure EIT Daniela Rupp, en collaboration avec des collègues des universités de Rostock et de Fribourg, de l’Université technique de Berlin et de DESY à Hambourg, a trouvé un moyen de calculer la structure 3D à partir d’un seul motif de diffraction, afin que l’on puisse « regarder » la particule dans toutes les directions. À l’avenir, il sera même possible de réaliser des films 3D de la dynamique des nanostructures de cette manière.

Les résultats de cette recherche ont été récemment publiés dans la revue scientifique La science avance (« Instantanés femtosecondes 3D de nanostructures à facettes isolées »). 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. (Illustration : ETH Zürich / Daniela Rupp)

Daniela Rupp est professeure assistante à l’ETH Zurich depuis 2019, où elle dirige le groupe de recherche « Nanostructures and Ultrafast X-ray Science ». Elle et son équipe tentent de mieux comprendre l’interaction entre des impulsions de rayons X très intenses et la matière. Comme système modèle, ils utilisent des nanoparticules, qu’ils étudient également à l’Institut Paul Scherrer.

« Pour l’avenir, il y a de grandes opportunités dans le nouvel outil Maloja, car nous étions le premier groupe d’utilisateurs de mesures de pagemake externes au début de l’année dernière. En ce moment, notre équipe active le mode attoseconde, avec lequel nous pouvons même surveiller la dynamique d’électrons », explique Rob.

Une meilleure compréhension des processus dynamiques

Le travail récemment publié est une étape importante vers cet avenir, explique le chercheur postdoctoral Alessandro Colombo : « Avec ce travail, nous ouvrons une fenêtre sur les études des processus dynamiques des très petites particules dans le régime femtoseconde. »

Le problème avec la diffraction des rayons X utilisant des impulsions intenses est que les objets étudiés se vaporisent immédiatement après le bombardement – « diffraction et destruction » dans le langage des chercheurs. Puisque cela signifie qu’un seul instantané de la nanoparticule peut être réalisé, on voudrait certainement en tirer autant d’informations que possible.

Pour calculer plus d’une image 2D à partir du diagramme de diffraction, on a jusqu’à présent dû imposer à un algorithme informatique des hypothèses très restreintes sur la forme des nanoparticules, par exemple leur symétrie. Cependant, de cette manière, tous les détails fins de la particule qui s’écartent de ces hypothèses restent cachés. De plus, avec ces algorithmes, de nombreux ajustements devaient être faits manuellement.

Algorithme amélioré

C’est là qu’intervient notre nouvelle méthode », explique Rob : « Avec notre nouvel algorithme, qui utilise une méthode de simulation très efficace et une stratégie d’optimisation intelligente, nous pouvons produire automatiquement des images 3D de nanoparticules sans avoir à imposer d’exigences spécifiques. Cela nous permet pour voir même les petites irrégularités, qui peuvent résulter du processus de croissance des particules.

Pour obtenir une résolution 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 c’était la norme jusqu’à présent, mais aussi la partie qui est à grand angle de 30 degrés ou plus. Cela signifie, bien sûr, que la quantité d’informations à récupérer augmente de façon exponentielle, mais un algorithme amélioré peut gérer cela.

De cette façon, à partir des modèles de diffraction de nanoparticules d’argent uniques de 70 nm bombardées d’impulsions de rayons X d’une durée d’environ 100 femtosecondes, l’équipe de Rupp peut désormais calculer des images 3D qui montrent les particules sous différents angles.

Tirs en vol libre

« Jusqu’à présent, nous manquions cette troisième dimension », explique Rob, mais nous pouvons désormais 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.  »

Le point crucial est que les clichés peuvent être pris en vol libre dans le vide, sans qu’il soit nécessaire d’épingler les nanoparticules sur une surface, comme en microscopie électronique. De plus, de nombreux types de particules ne peuvent même pas être placés sur la surface car ils sont trop fragiles ou de courte durée. Mais même les échantillons qui peuvent être étudiés au microscope électronique sont fortement affectés par leur interaction avec la surface. En revanche, en vol libre, les processus de fusion ou d’agrégation peuvent être étudiés sans aucune perturbation.