Fisici della Friedrich-Alexander-Universität Erlangen-Nürnberg (FAU) e della Deutsches Elektronen-Synchrotron (DESY, Amburgo) hanno sviluppato un metodo per migliorare la qualità delle immagini a raggi X rispetto ai metodi convenzionali. La tecnica, imaging diffrattivo incoerente (IDI), potrebbe visualizzare i singoli atomi in nanocristalli o molecole più velocemente e con una risoluzione molto più elevata.
Da più di 100 anni, I raggi X sono stati utilizzati in cristallografia per determinare la struttura delle molecole. Al centro del metodo ci sono i principi di diffrazione e sovrapposizione, a cui sono soggette tutte le onde:Le onde luminose costituite da fotoni vengono deviate dagli atomi nel cristallo e si sovrappongono come onde d'acqua generate da ostacoli in un flusso che scorre lentamente. Se un numero sufficiente di questi fotoni può essere misurato con un rivelatore, si ottiene un modello di diffrazione caratteristico o modello d'onda, da cui si può derivare la struttura atomica del cristallo. Ciò richiede che i fotoni siano dispersi in modo coerente, il che significa che esiste una chiara relazione di fase tra fotoni incidenti e riflessi. Per restare con l'analogia con l'acqua, questo corrisponde a onde d'acqua che vengono deviate dagli ostacoli senza vortici o turbolenze. Se la diffusione dei fotoni è incoerente, la relazione di fase fissa tra i fotoni sparsi si disperde, che rende impossibile determinare la disposizione degli atomi, proprio come nelle acque turbolente.
Ma l'imaging diffrattivo coerente ha anche un problema:"Con la luce a raggi X, nella maggior parte dei casi domina lo scattering incoerente, Per esempio, sotto forma di fluorescenza risultante dall'assorbimento di fotoni e dalla successiva emissione, "dice Anton Classen, membro del gruppo di lavoro FAU Quantum Optics and Quantum Information. "Questo crea uno sfondo diffuso che non può essere utilizzato per immagini coerenti e riduce la fedeltà di riproduzione dei metodi coerenti".
Utilizzo di radiazioni incoerenti
È esattamente questa radiazione incoerente apparentemente indesiderabile che è la chiave per la nuova tecnica di imaging dei ricercatori della FAU. "Nel nostro metodo, i fotoni a raggi X dispersi in modo incoerente non vengono registrati per un periodo di tempo più lungo, ma in brevi istantanee risolte nel tempo, " dice il professor Joachim von Zanthier. "Quando si analizzano le istantanee individualmente, le informazioni sulla disposizione degli atomi possono essere ottenute."
Il trucco è che la diffrazione della luce è ancora coerente all'interno di brevi sequenze. Però, questo è possibile solo con lampi di raggi X estremamente brevi con durate non superiori a pochi femtosecondi, ovvero pochi quadrilionesimi di secondo, che è stato raggiunto solo di recente utilizzando laser a elettroni liberi come l'XFEL europeo ad Amburgo o il Linac Coherent Light Source (LCLS) in California.
Visualizzare singole molecole è possibile
Poiché il nuovo metodo utilizza la luce a fluorescenza, si può ottenere un segnale molto più forte, che è anche sparso ad angoli significativamente più grandi, ottenere informazioni spaziali più dettagliate. Inoltre, i filtri possono essere utilizzati solo per misurare la luce di specie atomiche specifiche. Ciò consente di determinare la posizione dei singoli atomi in molecole e proteine con una risoluzione significativamente più elevata rispetto all'imaging coerente utilizzando la luce a raggi X della stessa lunghezza d'onda. Questo metodo potrebbe migliorare lo studio delle proteine in biologia strutturale e medicina.
