Técnica de raios X de super-resolução revela estruturas atómicas
O novo método promete uma melhor compreensão das reacções químicas e das propriedades dos materiais através da aplicação de uma técnica de espetroscopia vencedora de um prémio Nobel
Investigadores do Argonne National Laboratory, perto de Chicago, EUA, juntamente com o Max-Planck-Institut für Kernphysik (MPIK), em Heidelberg, e o European X-ray Free Electron Laser (European XFEL), em Hamburgo, desenvolveram uma abordagem inovadora à espetroscopia de raios X, alcançando um detalhe e uma resolução sem precedentes.
A técnica, designada por dispersão estocástica Raman de raios X estimulada (s-SXRS), utiliza impulsos intensos de raios X para excitar electrões nos átomos. Foi implementada numa experiência pioneira no XFEL europeu. Os investigadores dirigiram um feixe de raios X através de uma pequena célula de gás de alta pressão de 5 milímetros, concebida no MPIK, cheia de néon como gás alvo. A radiação resultante é recolhida e analisada num espetrómetro de grelha - um dispositivo que separa a luz nos seus diferentes comprimentos de onda. À medida que os raios X atravessam o gás, amplificam em quase mil milhões de vezes a radiação espalhada por ressonância - os chamados sinais Raman, um tipo de impressão digital de raios X que fornece informações sobre os estados electrónicos excitados de átomos e moléculas.
O sinal amplificado fornece informações detalhadas sobre a estrutura eletrónica dos átomos numa escala de tempo de femtossegundos (ou seja, um milionésimo de bilionésimo de segundo). Um método estatístico, denominado análise de covariância, associa os impulsos de raios X recebidos aos sinais Raman emitidos pelos átomos. Com este método, os cientistas criam um espetro de energia pormenorizado a partir de muitos instantâneos individuais, em vez de percorrerem lentamente os diferentes níveis de energia. O que antes era considerado "ruído", é assim transformado num recurso valioso, permitindo a extração de informação detalhada a partir de dados complexos.
O grande número de fotões em cada flash de raios X não só aumenta o sinal de medição, como também é a chave para a mais alta resolução espetral, calculando a média de muitos impactos de fotões no detetor. Este grande número de fotões em comprimentos de onda aleatórios, mas totalmente correlacionados, permite identificar a posição do centro destes picos espectrais amplos mas distintos com muito mais precisão do que a sua largura indicaria de outra forma. Esta abordagem é semelhante à técnica de microscopia de super-resolução que ganhou o Prémio Nobel da Química de 2014.
Um suporte essencial para a interpretação dos resultados experimentais foram as simulações em grande escala das complexas interações dos impulsos de raios X enquanto se propagam através do gás. O Argonne Leadership Computing Facility (ALCF) forneceu o poder computacional necessário para estes cálculos, que correspondem de perto aos dados medidos, confirmando assim a compreensão dos investigadores sobre estes processos e abrindo caminho para futuras investigações. Com os avanços contínuos, o s-SXRS poderá tornar-se uma ferramenta padrão em laboratórios de todo o mundo, impulsionando a inovação em muitos domínios e preparando o terreno para avanços na análise química e na ciência dos materiais com impacto em indústrias como a eletrónica e a nanotecnologia
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Publicação original
Kai Li, Christian Ott, Marcus Agåker, Phay J. Ho, Gilles Doumy, Alexander Magunia, Marc Rebholz, Marc Simon, Tommaso Mazza, Alberto De Fanis, Thomas M. Baumann, Jacobo Montano, Nils Rennhack, Sergey Usenko, Yevheniy Ovcharenko, Kalyani Chordiya, Lan Cheng, Jan-Erik Rubensson, Michael Meyer, Thomas Pfeifer, Mette B. Gaarde, Linda Young; "Super-resolution stimulated X-ray Raman spectroscopy"; Nature, Volume 643, 2025-7-16
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