Pensalo come un film microscopico:una sequenza di immagini a raggi X mostra l'esplosione di nanoparticelle surriscaldate. La serie di immagini rivela come si muovono gli atomi in queste particelle, come formano il plasma e come le particelle cambiano forma.

Il metodo per scattare queste foto è una creazione collaborativa che ha coinvolto i ricercatori della Kansas State University Artem Rudenko e Daniel Rolles, entrambi assistenti di fisica.

I filmati aiutano gli scienziati a comprendere le interazioni della luce laser intensa con la materia. Ma ancora più importante, questi esperimenti aprono la strada alla ripresa di vari processi che coinvolgono dinamiche ultraveloci di campioni microscopici, come la formazione di aerosol, che svolgono un ruolo importante nei modelli climatici, o la fusione guidata dal laser.

"Possiamo creare un vero film del micromondo, " Ha detto Rudenko. "Lo sviluppo chiave è che ora possiamo prendere sequenze di immagini su scala nanometrica".

Rudenko e Rolles, entrambi affiliati al James R. Macdonald Laboratory dell'università, hanno collaborato con i ricercatori dello SLAC National Accelerator Laboratory della Stanford University, Argonne National Laboratory e gli Istituti Max Planck in Germania. La loro pubblicazione, "Visualizzazione a femtosecondi e nanometri della dinamica strutturale in nanoparticelle surriscaldate, " appare in Fotonica della natura .

In questo lavoro, la collaborazione ha utilizzato laser intensi per riscaldare cluster di xeno su scala nanometrica e poi ha scattato una serie di immagini a raggi X per mostrare cosa è successo alle particelle. La serie di immagini è diventata un film su come questi oggetti si muovono a livello di femtosecondi, che sono un milionesimo di miliardesimo di secondo.

"Ciò che rende il nano così interessante è che il comportamento di molte cose cambia quando si arriva alla nanoscala, " ha detto Rolles. "I nano-oggetti colmano il divario tra la materia sfusa e i singoli atomi o molecole. Questa ricerca ci aiuta mentre cerchiamo di capire il comportamento dei nano-oggetti e come cambiano forma e proprietà in tempi estremamente brevi".

Le immagini delle nanoparticelle non possono essere scattate con la normale luce ottica, ma deve essere preso con i raggi X perché la luce dei raggi X ha lunghezze d'onda nanometriche che consentono ai ricercatori di visualizzare oggetti su scala nanometrica, ha detto Rolles. La lunghezza d'onda della luce deve corrispondere alle dimensioni dell'oggetto.

Per scattare le foto, i ricercatori avevano bisogno di due ingredienti:impulsi a raggi X molto brevi e impulsi a raggi X molto potenti. La Linac Coherent Light Source di SLAC ha fornito questi due ingredienti, e Rudenko e Rolles si sono recati in California per utilizzare questa macchina per scattare foto perfette.

Il metodo di scatto e le immagini che produce hanno numerose applicazioni in fisica e chimica, ha detto Rolles. Il metodo è prezioso anche per visualizzare le interazioni laser con le nanoparticelle e per il campo in rapido sviluppo della nanoplasmonica, in cui le proprietà delle nanoparticelle vengono manipolate con intensi campi di luce. Questo può aiutare a costruire l'elettronica di prossima generazione.

"L'elettronica guidata dalla luce può essere molto più veloce dell'elettronica convenzionale perché i processi chiave saranno guidati dalla luce, che può essere estremamente veloce, " Rudenko ha detto. "Questa ricerca ha un grande potenziale per l'optoelettronica, ma per migliorare la tecnologia, dobbiamo sapere come un laser guida quelle nanoparticelle. La tecnologia cinematografica è un passo importante in questa direzione".

Rudenko e Rolles stanno continuando a migliorare il processo di realizzazione del film. In collaborazione con il gruppo di fisica della materia soffice dell'università, hanno ampliato la gamma dei campioni, che può essere inserito nella macchina a raggi X e ora può produrre film di nanoparticelle di oro e silice.