Raggi X altamente coerenti da sorgenti di sincrotrone possono essere utilizzati per l'imaging di nanomateriali in 3-D a decine di nanometri di risoluzione spaziale. Questa immagine mostra modelli di raggi X duri monocromatici da una particella d'oro a cristallo singolo, che produce un'immagine di frangia simile a macchie. L'inversione di tali "immagini di diffrazione" in determinate condizioni può comportare una distribuzione ad alta risoluzione della densità elettronica (ampiezza) e della deformazione della struttura reticolare (sfasamento). Credito:Wenge Yang
Un team di ricercatori ha compiuto un importante passo avanti nella misurazione della struttura dei nanomateriali a pressioni estremamente elevate. Per la prima volta, hanno sviluppato un modo per aggirare le gravi distorsioni dei raggi X ad alta energia utilizzati per visualizzare la struttura di un nanocristallo d'oro. La tecnica, descritto il 9 aprile 2013, problema di Comunicazioni sulla natura , potrebbe portare a progressi di nuovi nanomateriali creati sotto alte pressioni e una maggiore comprensione di ciò che sta accadendo negli interni dei pianeti.
Autore principale dello studio, Wenge Yang dell'High Pressure Synergetic Consortium della Carnegie Institution ha spiegato:"L'unico modo per vedere cosa succede a tali campioni quando sono sotto pressione è usare raggi X ad alta energia prodotti da sorgenti di sincrotrone. I sincrotroni possono fornire raggi X altamente coerenti per Imaging 3D con decine di nanometri di risoluzione. Questo è diverso dall'imaging a raggi X incoerente utilizzato per gli esami medici che ha una risoluzione spaziale di micron. Le alte pressioni cambiano radicalmente molte proprietà del materiale".
Il team ha scoperto che calcolando la media dei modelli delle onde piegate (i modelli di diffrazione) dello stesso cristallo utilizzando diversi allineamenti dei campioni nella strumentazione, e utilizzando un algoritmo sviluppato dai ricercatori del London Centre for Nanotechnology, possono compensare la distorsione e migliorare la risoluzione spaziale di due ordini di grandezza.
"Il problema della distorsione dell'onda è analogo alla prescrizione di occhiali per la cellula dell'incudine di diamante per correggere la visione del sistema coerente di imaging a raggi X, " ha osservato Ian Robinson, leader della squadra di Londra.
I ricercatori hanno sottoposto un cristallo singolo d'oro da 400 nanometri (.000015 pollici) a pressioni di circa 8, 000 volte la pressione al livello del mare a 64, 000 volte quella pressione, che riguarda la pressione nel mantello superiore della Terra, lo strato tra il nucleo esterno e la crosta.
Il team ha condotto l'esperimento di imaging presso l'Advanced Photon Source, Laboratorio Nazionale Argonne. Hanno compresso il nanocristallo d'oro e hanno trovato in un primo momento, come previsto, che i bordi del cristallo diventino taglienti e tesi. Ma con loro completa sorpresa, i ceppi sono scomparsi dopo un'ulteriore compressione. Il cristallo ha sviluppato una forma più arrotondata alla massima pressione, implicando un insolito flusso plastico.
"Le particelle di nanooro sono materiali molto utili, " ha osservato Yang. "Sono circa il 60% più rigidi rispetto ad altre particelle di dimensioni micron e potrebbero rivelarsi fondamentali per la costruzione di elettrodi molecolari migliorati, rivestimenti in nanoscala, e altri materiali di ingegneria avanzata. La nuova tecnica sarà fondamentale per i progressi in queste aree".
"Ora che il problema della distorsione è stato risolto, è possibile accedere all'intero campo delle strutture di nanocristalli sotto pressione, " ha detto Robinson. "Il mistero scientifico del perché i nanocristalli sotto pressione siano in qualche modo fino al 60% più forti del materiale sfuso potrebbe presto essere svelato".
