Nel nuovo studio, gli autori hanno sovrapposto la luce a raggi X diffusa dal mimivirus con la luce a raggi X diffusa da una sfera di riferimento (immagine principale). La curvatura nelle immagini sovrapposte dei due oggetti ha fornito informazioni approfondite e dettagli sulla forma del virus. L'immagine nell'angolo in basso a destra è una ricostruzione olografica del virus basata sui modelli di diffrazione dei raggi X raccolti durante l'esperimento. Credito:Anatoli Ulmer e Tais Gorkhover / L'Università tecnica di Berlino e il laboratorio nazionale dell'acceleratore SLAC
Olografia, come la fotografia, è un modo per registrare il mondo che ci circonda. Entrambi usano la luce per effettuare registrazioni, ma invece di foto bidimensionali, gli ologrammi riproducono forme tridimensionali. La forma è dedotta dai motivi che si formano dopo che la luce rimbalza su un oggetto e interferisce con un'altra onda luminosa che funge da riferimento.
Quando viene creato con la luce a raggi X, l'olografia può essere un metodo estremamente utile per catturare immagini ad alta risoluzione di un oggetto su scala nanometrica, qualcosa di così piccolo, la sua dimensione è misurata in nanometri, o miliardesimi di metro.
Finora, L'olografia a raggi X è stata limitata agli oggetti che formano cristalli o si è basata su un accurato posizionamento del campione su una superficie. Però, molte particelle di dimensioni nanometriche non sono cristalline, di breve durata e molto fragile. Possono anche subire modifiche o danni durante un esperimento se posizionati su una superficie. aerosol, stati esotici della materia, e le forme di vita più piccole spesso rientrano in queste categorie e quindi sono difficili da studiare con i metodi di imaging convenzionali.
In un recente studio apparso sulla copertina di marzo 2018 di Fotonica della natura , i ricercatori hanno sviluppato un nuovo metodo olografico chiamato olografia in volo. Con questo metodo, sono stati in grado di dimostrare i primi ologrammi a raggi X di virus di dimensioni nanometriche che non erano attaccati a nessuna superficie.
I modelli necessari per creare le immagini sono stati presi alla Linac Coherent Light Source (LCLS), il laser a elettroni liberi a raggi X presso il Laboratorio nazionale dell'acceleratore SLAC del Dipartimento dell'energia. I nanovirus sono stati studiati presso LCLS senza un riferimento olografico, ma l'interpretazione delle immagini a raggi X ha richiesto molti passaggi, si basava sull'input umano ed era un compito computazionalmente impegnativo.
Nel nuovo studio, gli autori hanno sovrapposto la luce a raggi X diffusa dal virus con la luce a raggi X diffusa da una sfera di riferimento di dimensioni nanometriche. La curvatura nelle immagini sovrapposte dei due oggetti ha fornito informazioni sulla profondità e dettagli sulla forma del virus largo 450 nanometri, il mimivirus. Questa tecnica ha notevolmente semplificato l'interpretazione dei dati.
"Invece di migliaia di passaggi e algoritmi che potenzialmente non corrispondono, hai una procedura in due fasi in cui ottieni chiaramente la struttura dalla tua immagine, ", afferma l'autore principale dello studio Tais Gorkhover, un Panofsky Fellow presso SLAC e ricercatore presso lo Stanford PULSE Institute.
Ora, gli scienziati possono fare la loro ricostruzione di un campione in frazioni di secondo o anche più velocemente con il metodo olografico.
"Prima del nostro studio, l'interpretazione delle immagini a raggi X era molto complicata e la struttura dei nanocampioni è stata ricostruita molto tempo dopo l'esperimento vero e proprio utilizzando algoritmi non banali, "dice Christoph Bostedt, uno scienziato presso l'Argonne National Laboratory del DOE e coautore dello studio. "Con l'olografia "in volo", la procedura è molto semplice e in linea di massima può essere eseguita durante l'acquisizione dei dati. Questa è una vera svolta".
Illustrazione che mostra il principio dell'olografia in volo. (Sinistra) I raggi X si disperdono da due sfere e formano un caratteristico schema di diffrazione. I modelli sono registrati utilizzando il raggio di raggi X molto intenso del laser a raggi X di SLAC, la sorgente luminosa coerente Linac (LCLS). (Centro) I cambiamenti nelle dimensioni e nella distanza delle sfere si riflettono nei modelli che possono essere tradotti direttamente dalla sola diffrazione. La sfera più piccola può fungere da riferimento olografico. (Destra) Se le sfere vengono spostate fuori dal piano, le linee sottili del modello di diffrazione diventano curve. Le firme della posizione e della dimensione del riferimento consentono ai ricercatori di ricostruire le distanze 3-D tra la sfera piccola (riferimento) e la sfera grande. Credito:Anatoli Ulmer e Tais Gorkhover / L'Università tecnica di Berlino e il laboratorio nazionale dell'acceleratore SLAC
"Un altro vantaggio del metodo dell'olografia in volo è che è meno soggetto al rumore e agli artefatti che possono apparire nel rilevatore rispetto all'imaging a raggi X non olografico, "dice Anatoli Ulmer, un co-autore e Ph.D. studente dell'Università Tecnica di Berlino in Germania.
A lungo termine, i ricercatori prevedono che l'olografia in volo offrirà nuovi modi per studiare l'inquinamento atmosferico, processi di combustione e catalitici, che coinvolgono tutte le nanoparticelle.
