Наночастицы становятся все более распространенными в нашей повседневной жизни. Эти крошечные частицы, невидимые невооруженным глазом, находят широкое применение: от солнцезащитных кремов и красок до цветных фильтров и электронных компонентов.
Они даже перспективны для медицинских целей, в том числе для лечения рака. «Функциональность наночастиц связана с их геометрической формой, которую часто очень трудно определить экспериментально», — объясняет доктор. Инго Барке из Ростокского университета. «Это особенно сложно, когда они присутствуют в виде свободных частиц, то есть в отсутствие контакта с поверхностью или жидкостью."
Форму наночастицы можно определить по характерному способу рассеяния рентгеновского излучения.
Таким образом, источники рентгеновского излучения, такие как DESY FLASH, позволяют создать своего рода супермикроскоп в наномире. До сих пор пространственная структура наночастиц была восстановлена из нескольких двумерных изображений, сделанных под разными углами. Эта процедура некритична для частиц на твердых подложках, поскольку изображения можно снимать под разными углами, чтобы однозначно восстановить их трехмерную форму.
«Приведение наночастиц в контакт с поверхностью или жидкостью может значительно изменить частицы, так что вы больше не сможете увидеть их реальную форму», — говорит доктор.
Даниэла Рупп из Берлинского технического университета. Однако свободную частицу можно измерить только один раз в полете, прежде чем она либо улетит, либо будет уничтожена интенсивным рентгеновским светом. Поэтому ученые искали способ записать всю структурную информацию наночастицы с помощью одного рентгеновского лазерного импульса.
Для достижения этой цели ученые во главе с проф.
Томас Моллер из Берлинского технического университета и проф. Карл-Хайнц Майвес-Броер и проф. Томас Феннел из Университета Ростока применил трюк.
Вместо обычных снимков малоуглового рассеяния физики регистрировали рассеянное рентгеновское излучение в широком диапазоне углов. «Такой подход позволяет практически захватить структуру под разными углами одновременно с одного лазерного выстрела», — объясняет Феннель.
Исследователи протестировали этот метод на свободных наночастицах серебра диаметром от 50 до 250 нанометров (0.00005 до 0.00025 миллиметров). Эксперимент не только подтвердил осуществимость хитрого метода, но и обнаружил удивительный результат, заключающийся в том, что крупные наночастицы имеют гораздо большее разнообразие форм, чем ожидалось.
Форма свободных наночастиц является результатом различных физических принципов, в частности, стремления частиц минимизировать свою энергию. Следовательно, большие частицы, состоящие из тысяч или миллионов атомов, часто дают предсказуемые формы, потому что атомы могут быть расположены только определенным образом для получения энергетически выгодного состояния.
Однако в своем эксперименте исследователи наблюдали множество высокосимметричных трехмерных форм, в том числе несколько типов, известных как Платоновы и Архимедовы тела.
Примеры включают усеченный октаэдр (тело, состоящее из восьми правильных шестиугольников и шести квадратов) и икосаэдр (тело, состоящее из двадцати равносторонних треугольников). Последнее на самом деле подходит только для очень маленьких частиц, состоящих из нескольких атомов, и его появление со свободными частицами такого размера ранее было неизвестно. «Результаты показывают, что металлические наночастицы сохраняют память о своей структуре, начиная с ранних стадий роста и заканчивая еще неизведанным диапазоном размеров», — подчеркивает Барке.
Из-за большого разнообразия форм было особенно важно использовать быстрый вычислительный метод, чтобы исследователи могли отображать форму каждой отдельной частицы. Ученые использовали двухэтапный процесс: сначала была определена грубая форма, а затем уточнена с помощью более сложного моделирования на суперкомпьютере.
Этот подход оказался настолько эффективным, что мог не только надежно определять различные формы, но и различать различные ориентации одной и той же формы.
Этот новый метод определения трехмерной формы и ориентации наночастиц с помощью одного рентгеновского лазерного излучения открывает широкий спектр новых направлений исследований. В будущих проектах частицы могут быть непосредственно «сняты» в трех измерениях во время роста или во время фазовых переходов. "Возможность напрямую снимать реакцию наночастицы на интенсивную вспышку рентгеновского излучения была мечтой для многих физиков — теперь эта мечта может стать реальностью даже в 3D!,"подчеркивает Рупп.
Deutsches Elektronen-Synchrotron DESY — ведущий ускорительный центр Германии и один из ведущих в мире. DESY является членом Ассоциации Гельмгольца и получает финансирование от Федерального министерства образования и исследований Германии (BMBF) (90 процентов) и федеральных земель Германии Гамбург и Бранденбург (10 процентов). В своих офисах в Гамбурге и Цойтене недалеко от Берлина DESY разрабатывает, строит и эксплуатирует большие ускорители элементарных частиц и использует их для исследования структуры материи.
DESY предлагает уникальное сочетание науки о фотонах и физики элементарных частиц для Европы.