Capire come avvengono le reazioni chimiche su minuscoli cristalli in soluzioni liquide è fondamentale per una varietà di campi, compresa la sintesi dei materiali e la catalisi eterogenea, ma ottenere una tale comprensione richiede che gli scienziati osservino le reazioni mentre si verificano.

Utilizzando tecniche di diffrazione a raggi X coerenti, gli scienziati possono misurare la forma esterna e la deformazione dei materiali nanocristallini con un alto grado di precisione. Però, l'esecuzione di tali misurazioni richiede un controllo preciso della posizione e degli angoli del minuscolo cristallo rispetto al fascio di raggi X in arrivo. Tradizionalmente, questo ha significato far aderire o incollare il cristallo su una superficie, che a sua volta deforma il cristallo, alterando così la sua struttura e potenzialmente influenzando la reattività.

"Con pinzette ottiche, puoi catturare una singola particella nel suo stato nativo in soluzione e osservarne l'evoluzione strutturale, "ha detto Linda Young, Argonne distinto compagno.

Ora, scienziati dell'Argonne National Laboratory del Dipartimento dell'Energia degli Stati Uniti (DOE) e dell'Università di Chicago hanno sviluppato una nuova tecnica che combina la potenza dei "raggi trattore" su nanoscala con raggi X ad alta potenza, consentendo loro di posizionare e manipolare i cristalli in soluzione che non sono in contatto con i substrati.

La tecnica del raggio traente è nota come "pinzette ottiche, " che per coincidenza è stato anche insignito del Premio Nobel per la Fisica 2018 , perché consente di manipolare i campioni utilizzando solo la luce.

Mentre le normali pinzette ottiche coinvolgono un singolo raggio laser focalizzato, le pinzette ottiche olografiche utilizzate nello studio coinvolgono laser modificati con precisione con un modulatore di luce spaziale. Questi laser vengono riflessi da uno specchio per creare uno schema di interferenza di "punti caldi" che sono entrambi più localizzati di un raggio laser semplicemente focalizzato e hanno posizioni rapidamente riconfigurabili. Il gradiente di campo elettrico di questi punti caldi focalizzati attrae il cristallo polarizzabile e lo tiene in posizione.

Con un paio di pinzette impegnate, ciascuna a un'estremità del cristallo, gli scienziati di Argonne hanno potuto manipolare il microcristallo semiconduttore in tre dimensioni con elevata precisione in presenza di una soluzione liquida e senza esporlo ad altre superfici.

"Generalmente, quando le persone guardano i microcristalli usando la diffrazione dei raggi X, sono incollati su un portacampioni, che provoca una distorsione, " disse Argonne illustre collega Linda Young, un autore corrispondente sullo studio. "Ma ora, con pinzette ottiche, puoi catturare una singola particella nel suo stato nativo in soluzione e osservarne l'evoluzione strutturale. In linea di principio, puoi aggiungere reagenti, catturare la dissoluzione o la reazione e monitorare i cambiamenti a livello atomico".

Acquisendo la capacità di manipolare il campione usando solo la luce, Young e i suoi colleghi sono stati in grado di sfruttare i raggi X coerenti prodotti dall'Advanced Photon Source (APS) di Argonne, una struttura per gli utenti dell'Office of Science del DOE. Utilizzando una tecnica chiamata imaging di diffrazione coerente di Bragg (CDI), i ricercatori sono stati in grado di esaminare la struttura del cristallo in condizioni reali e da diverse angolazioni.

Associando le pinzette ottiche con Bragg CDI, gli scienziati ora hanno un nuovo modo per esplorare i materiali nei mezzi liquidi, ha spiegato Yuan Gao, scienziato del Brookhaven National Laboratory (BNL), il primo autore dello studio. "La nostra scoperta deriva da una combinazione di diverse tecniche, tra cui l'abbinamento di laser con il raggio coerente dell'APS, " disse. "Per far funzionare l'esperimento, avevamo bisogno della tecnica di nanofabbricazione presso il Center for Nanoscale Materials per realizzare anche la cella campione." Il Center for Nanoscale Materials (CNM) è anche un DOE Office of Science User Facility.

Secondo Giovani, la tecnica potrebbe essere utile per una vasta gamma di studi futuri, compresa la nucleazione e la crescita dei cristalli. "Tipicamente, le persone guardano campioni nanocristallini isolati nell'aria o nel vuoto. Volevamo essere in grado di controllare tali oggetti in fase liquida. Per esempio, volevamo essere in grado di osservare la catalisi o la cristallizzazione in tempo reale con la precisione offerta dalla cristallografia a raggi X, " lei disse.

Gao ha indicato la stabilità offerta dalle pinzette ottiche come un vantaggio primario per futuri esperimenti a raggi X coerenti. "La diffrazione coerente è molto sensibile alla posizione e all'orientamento del campione, e questo esperimento ha dimostrato le possibilità di questa nuova tecnica, " disse. A causa della stabilità della tecnica, i ricercatori sono stati in grado di ottenere dati di diffrazione coerenti, che ha permesso loro di ricostruire il campione con una precisione sub-nanometrica, rivelando difetti di scala sub-nanometrica e bordi di grano all'interno del microcristallo ZnO apparentemente cristallino.

"Mentre guardiamo all'aggiornamento dell'APS, che aumenterà la luminosità dei raggi X di ordini di grandezza, queste misurazioni saranno molto più veloci e forniranno informazioni ancora più interessanti su come i campioni cambiano nel tempo, " ha aggiunto Ross Harder, un fisico Argonne presso l'APS che è un autore della carta.

Infine, i ricercatori vorrebbero estendere la tecnica per catturare l'evoluzione ultraveloce del cristallo quando è eccitato da un impulso laser, ha detto il professore di chimica dell'Università di Chicago Norbert Scherer, un altro autore del saggio. "Questo è il primo passo per raggiungere la nostra più grande ambizione, che consiste nel visualizzare le dinamiche strutturali dipendenti dal tempo di come cambia il reticolo, " Egli ha detto.

Per eseguire l'esperimento, i ricercatori hanno fatto affidamento sulla creazione di componenti microfluidici presso CNM. Sono state inoltre eseguite simulazioni elettrodinamiche presso il cluster di calcolo ad alte prestazioni Carbon di CNM. I ricercatori dell'Università di Chicago hanno contribuito con la loro esperienza sulla tecnica delle pinzette ottiche olografiche.

Un documento basato sullo studio, "Intrappolamento ottico tridimensionale e orientamento delle microparticelle per l'imaging di diffrazione di raggi X coerente, " apparso nell'edizione online dell'11 febbraio del Atti dell'Accademia Nazionale delle Scienze .