Per la prima volta, un gruppo di ricerca tedesco-americano ha determinato la forma tridimensionale delle nanoparticelle d'argento che volano liberamente, utilizzando il laser a raggi X FLASH di DESY. Le minuscole particelle, centinaia di volte più piccolo della larghezza di un capello umano, hanno mostrato una varietà inaspettata di forme, come i fisici dell'Università Tecnica (TU) di Berlino, l'Università di Rostock, lo SLAC National Accelerator Laboratory negli Stati Uniti e dal rapporto DESY sulla rivista scientifica Comunicazioni sulla natura . Oltre a questa sorpresa, i risultati aprono nuove strade scientifiche, come l'osservazione diretta di rapidi cambiamenti nelle nanoparticelle.

Le nanoparticelle stanno diventando sempre più pervasive nella nostra vita quotidiana. Queste minuscole particelle, invisibile ad occhio nudo, hanno applicazioni diffuse, che vanno da creme solari e vernici a filtri colorati e componenti elettronici. Sono anche promettenti per scopi medici, incluso il trattamento del cancro. "La funzionalità delle nanoparticelle è legata alla loro forma geometrica, che spesso è molto difficile da determinare sperimentalmente, " spiega il dott. Ingo Barke dell'Università di Rostock. "Questo è particolarmente difficile quando sono presenti come particelle libere, questo è, in assenza di contatto con una superficie o un liquido."

La forma delle nanoparticelle può essere rivelata dal modo caratteristico con cui disperde la luce dei raggi X. Perciò, Sorgenti di raggi X come FLASH di DESY consentono una sorta di supermicroscopio nel nano-mondo. Finora, la struttura spaziale delle nanoparticelle è stata ricostruita da più immagini bidimensionali, che sono stati presi da diverse angolazioni. Questa procedura non è critica per le particelle su substrati solidi, poiché le immagini possono essere riprese da molte angolazioni diverse per ricostruire in modo univoco la loro forma tridimensionale.

"Portare le nanoparticelle a contatto con una superficie o un liquido può alterare significativamente le particelle, tale che non puoi più vedere la loro forma effettiva, " dice la dott.ssa Daniela Rupp della TU Berlin. Una particella libera, però, può essere misurato solo una volta in volo prima che sfugga o venga distrutto dall'intensa luce dei raggi X. Perciò, gli scienziati hanno cercato un modo per registrare l'intera informazione strutturale di una nanoparticella con un singolo impulso laser a raggi X.

Per raggiungere questo obiettivo, gli scienziati guidati dal Prof. Thomas Möller della TU Berlin e dal Prof. Karl-Heinz Meiwes-Broer e dal Prof. Thomas Fennel dell'Università di Rostock hanno usato un trucco. Invece di scattare le solite immagini di dispersione a piccolo angolo, i fisici registrarono i raggi X sparsi in un'ampia gamma angolare. "Questo approccio cattura virtualmente la struttura da molte angolazioni diverse contemporaneamente da un singolo colpo laser, " spiega Finocchio.

I ricercatori hanno testato questo metodo su nanoparticelle d'argento libere con diametri da 50 a 250 nanometri (da 0,00005 a 0,00025 millimetri). L'esperimento non solo ha verificato la fattibilità del metodo ingannevole, ma ha anche scoperto il sorprendente risultato che le grandi nanoparticelle mostrano una varietà di forme molto maggiore del previsto.

La forma delle nanoparticelle libere è il risultato di diversi principi fisici, in particolare lo sforzo delle particelle per minimizzare la loro energia. Di conseguenza, grandi particelle composte da migliaia o milioni di atomi spesso danno forme prevedibili, perché gli atomi possono essere disposti solo in un modo particolare per ottenere uno stato energeticamente favorevole.

Nel loro esperimento, però, i ricercatori hanno osservato numerose forme tridimensionali altamente simmetriche, compresi diversi tipi noti come corpi platonici e di Archimede. Esempi includono l'ottaedro troncato (un corpo composto da otto esagoni regolari e sei quadrati) e l'icosaedro (un corpo composto da venti triangoli equilateri). Quest'ultimo è in realtà favorevole solo per particelle estremamente piccole costituite da pochi atomi, and its occurrence with free particles of this size was previously unknown. "The results show that metallic nanoparticles retain a type of memory of their structure, from the early stages of growth to a yet unexplored size range, " emphasizes Barke.

Due to the large variety of shapes, it was especially important to use a fast computational method so that the researchers were capable of mapping the shape of each individual particle. The scientists used a two-step process:the rough shape was determined first and then refined using more complex simulations on a super computer. This approach turned out to be so efficient that it could not only determine various shapes reliably, but could also differentiate between varying orientations of the same shape.

This new method for determining the three-dimensional shape and orientation of nanoparticles with a single X-ray laser shot opens up a wide spectrum of new research directions. In future projects, particles could be directly "filmed" in three dimensions during growth or during phase changes. "The ability to directly film the reaction of a nanoparticle to an intense flash of X-ray light has been a dream for many physicists - this dream could now come true, even in 3D!, " emphasises Rupp.