Un nuovo metodo per registrare le nanoparticelle
Impulsi di raggi X bicolori catturano lo stesso campione in due momenti diversi
Annunci
Uno dei grandi sogni della scienza ultraveloce è sempre stato quello di osservare i cambiamenti nelle nanoparticelle o nelle biomolecole sulla loro scala temporale naturale. A livello sperimentale, ciò può essere realizzato acquisendo due istantanee dello stesso oggetto a distanza di soli femtosecondi (milionesimo di miliardesimo di secondo) l’una dall’altra. Tuttavia, nessun rilevatore è abbastanza veloce da registrare le due istantanee separatamente: queste finiscono per sovrapporsi in un’unica immagine. Gli scienziati hanno ora impiegato due metodi complementari per separare due modelli di diffrazione catturati dallo stesso rilevatore a raggi X. I risultati ottenuti da un team internazionale di ricercatori sono stati pubblicati in due articoli distinti su *Nature Communications*.
Una nuova funzionalità dell’European XFEL ha recentemente consentito di compiere un grande passo avanti verso la realizzazione di filmati su scala nanometrica: il laser a raggi X è in grado di produrre flash consecutivi di due colori diversi, sufficientemente luminosi da consentire di riprendere una particella due volte nell’arco di pochi femtosecondi. Entrambi i metodi per separare le due immagini sfruttano questi diversi colori o energie dei fotoni: un metodo sfrutta la capacità del rivelatore di distinguere i livelli di energia per ogni singolo pixel, mentre l’altro ricorre a ricostruzioni matematiche. I suoi ideatori chiamano quest’ultimo metodo «dichografia». Uno dei principali scienziati paragona la tecnica a una telecamera ad altissima velocità: «A mia conoscenza, questi sono i filmati su scala nanometrica più veloci mai registrati, se per filmato intendiamo più fotogrammi dello stesso oggetto», afferma Alessandro Colombo del Dipartimento di Fisica del Politecnico federale di Zurigo (ETH) in Svizzera.
«Questo apre la strada all’osservazione di rapidi cambiamenti nelle nanoparticelle, paragonabile agli studi che già da tempo sono possibili con le piccole molecole», afferma Yevheniy Ovcharenko, ricercatore presso lo strumento Small Quantum Systems (SQS) dell’European XFEL e responsabile dello studio. «Queste nanoparticelle sono meno uniformi delle singole molecole, il che rende necessario osservare i processi utilizzando lo stesso campione». Gli esperimenti su singole molecole che seguono processi chimici si basano solitamente su una serie di osservazioni di campioni diversi a intervalli di tempo variabili dopo un evento scatenante. Tale approccio non produce risultati precisi per particelle che possono differire per dimensioni, forma, orientamento o struttura interna. Con due acquisizioni a raggi X della stessa particella, effettuate a intervalli di tempo variabili, i ricercatori possono iniziare a seguire direttamente un evento unico, come un nanoplasma in espansione, un cluster in frammentazione o un riarrangiamento strutturale innescato dalla luce. «Siamo all’inizio di un nuovo tipo di studio», aggiunge Marcel Mudrich dell’Università di Kassel, che ha proposto l’esperimento insieme al suo collega dell’SQS. «Ora disponiamo di laser a elettroni liberi in grado di produrre coppie di impulsi di raggi X con “colori” diversi, abbiamo rilevatori che distinguono le immagini in base al colore della luce a raggi X diffusa e disponiamo degli strumenti di analisi per ricostruire la forma delle singole particelle dalle istantanee a raggi X registrate».
Per sviluppare e dimostrare la fattibilità dei metodi di separazione dei colori e della dicografia, gli scienziati hanno utilizzato lo strumento SQS presso l’European XFEL. Due sezioni degli undulatori della struttura, sorgenti di raggi X con una lunghezza totale di 120 metri, sono state sintonizzate su diverse energie dei fotoni a raggi X (circa 1,0 e 1,2 kiloelettronvolt), o “colori”, creando due impulsi di raggi X. Il secondo impulso di raggi X è stato emesso da decine a centinaia di femtosecondi dopo il primo. Entrambi gli impulsi sono stati quindi focalizzati su nanogocce di elio in volo libero e i raggi X diffusi sono stati registrati su un rivelatore pnCCD. Questo dispositivo misura la carica generata dai fotoni in arrivo, il che rende possibile stimarne l’energia in ogni pixel. Analizzando la carica depositata in ciascun pixel e in piccoli gruppi di pixel, il team è riuscito ad attribuire molti dei fotoni rilevati al primo o al secondo impulso di raggi X. «È più complicato di quanto sembri», afferma Michael Meyer, ricercatore capo e responsabile del gruppo presso lo strumento SQS nonché uno degli autori delle pubblicazioni, «perché abbiamo a che fare con un gran numero di fotoni. Un pixel potrebbe aver raccolto un fotone dal primo impulso e più fotoni dal secondo. Inoltre, un singolo fotone può illuminare più pixel». Linos Hecht, dottorando presso l’ETH di Zurigo e primo autore delle pubblicazioni, sottolinea che «il metodo è molto flessibile, poiché non si basa su alcuna proprietà specifica del campione. Inoltre, funziona al meglio nelle aree scarsamente illuminate del rivelatore con ampi angoli di diffusione, dove sono immagazzinate le informazioni ad alta risoluzione più preziose».
Tale separazione cromatica a livello di pixel ha fornito la prova sperimentale di principio. Il secondo passo è stato più ambizioso: anziché classificare i fotoni rilevati in base al colore, i ricercatori hanno mirato a ricavare due immagini effettive del campione da un unico schema di diffrazione misto. Questa è l’idea alla base della «Dichografia», sviluppata in uno studio correlato. Il metodo utilizza algoritmi iterativi di recupero di fase per individuare due strutture distinte le cui intensità di diffrazione, sommate, corrispondono al segnale misurato. Nei dati dell’European XFEL, il team ha ricostruito due immagini separate nel tempo di una nanogoccia di elio, contenente particelle di xeno, a partire da singoli modelli sovrapposti con ritardi di 50 e 750 femtosecondi. I filmati a due fotogrammi hanno mostrato che i nanocluster di xeno incorporati apparivano sostanzialmente immutati: sebbene la luce intensa possa causare l’esplosione delle particelle, il processo era appena iniziato nell’arco di tempo osservato. Gli esperimenti e le simulazioni di accompagnamento hanno inoltre dimostrato che il problema rimane complesso: la Dichografia funziona solo quando i dati sono sufficientemente luminosi e i due contributi cromatici sono ragionevolmente bilanciati. «Sono convinto che il continuo sviluppo presso strutture come l’European XFEL renderà questi limiti sempre meno rilevanti e il nostro metodo sempre più applicabile», afferma Colombo. «Stiamo intraprendendo una nuova avventura scientifica, realizzando finalmente il sogno di filmare i cambiamenti strutturali ultraveloci nelle singole nanoparticelle».
Nota: questo articolo è stato tradotto utilizzando un sistema informatico senza intervento umano. LUMITOS offre queste traduzioni automatiche per presentare una gamma più ampia di notizie attuali. Poiché questo articolo è stato tradotto con traduzione automatica, è possibile che contenga errori di vocabolario, sintassi o grammatica. L'articolo originale in Inglese può essere trovato qui.
Pubblicazione originale
Linos Hecht, Andre Al Haddad, Björn Bastian, et al.; "Dichography: two-frame ultrafast imaging from a single diffraction pattern"; Nature Communications, Volume 17, 2026-6-24
Linos Hecht, Yevheniy Ovcharenko, Asbjørn Ø. Lægdsmand, et al.; "Model-free pattern separation of two-color ultrafast X-ray diffraction"; Nature Communications, 2026-9-3
Altre notizie dal dipartimento scienza
Le notizie più lette
Altre notizie dagli altri portali
Vedere i mondi tematici per i contenuti correlati
Mondo Tematico dell'Analisi delle Particelle
I metodi di analisi delle particelle ci permettono di esaminare particelle minuscole in diversi materiali e rivelare le loro proprietà. Che sia nel monitoraggio ambientale, nella nanotecnologia o nell'industria farmaceutica – l'analisi delle particelle ci offre uno sguardo su un mondo nascosto, nel quale possiamo decifrare la composizione, la dimensione e la forma delle particelle. Vivi il fascinante mondo dell'analisi delle particelle!
Mondo Tematico dell'Analisi delle Particelle
I metodi di analisi delle particelle ci permettono di esaminare particelle minuscole in diversi materiali e rivelare le loro proprietà. Che sia nel monitoraggio ambientale, nella nanotecnologia o nell'industria farmaceutica – l'analisi delle particelle ci offre uno sguardo su un mondo nascosto, nel quale possiamo decifrare la composizione, la dimensione e la forma delle particelle. Vivi il fascinante mondo dell'analisi delle particelle!