Uma nova forma de registar nanopartículas
Pulsos de raios X bicolores captam a mesma amostra em dois momentos distintos
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Um grande sonho da ciência ultrarrápida tem sido observar as alterações nas nanopartículas ou biomoléculas na sua escala temporal natural. Experimentalmente, isto pode ser concretizado tirando duas fotografias do mesmo objeto com apenas femtossegundos (milionésimo de um milmiliardésimo de segundo) de intervalo. No entanto, nenhum detetor é suficientemente rápido para registar os dois instantâneos separadamente — acabam por se sobrepor numa única imagem. Os cientistas recorreram agora a dois métodos complementares para separar dois padrões de difração captados pelo mesmo detetor de raios X. Os resultados obtidos por uma equipa internacional de investigadores foram publicados em dois artigos distintos na revista *Nature Communications*.
Uma nova capacidade do European XFEL permitiu recentemente dar um grande passo em direção à realização de filmes à escala nanométrica: o laser de raios X consegue produzir flashes sucessivos de duas cores diferentes, que são suficientemente brilhantes para captar uma partícula duas vezes no espaço de femtossegundos. Ambos os métodos para separar as duas imagens tiram partido destas diferentes cores ou energias fotónicas: um método explora a capacidade do detetor para distinguir os níveis de energia de cada pixel individual, enquanto o outro recorre a reconstruções matemáticas. Os seus inventores denominam este último método de «dichografia». Um dos principais cientistas compara a técnica a uma câmara de alta velocidade extrema: «Tanto quanto sei, estes são os filmes à escala nanométrica mais rápidos alguma vez gravados, se por filme entendermos vários fotogramas do mesmo objeto», afirma Alessandro Colombo, do Departamento de Física da ETH Zurique, na Suíça.
«Isto abre a porta à observação de mudanças rápidas em nanopartículas, comparáveis aos estudos que já são possíveis com pequenas moléculas há algum tempo», afirma Yevheniy Ovcharenko, cientista do instrumento Small Quantum Systems (SQS) no European XFEL e investigador principal do estudo. «Estas nanopartículas são menos uniformes do que as moléculas individuais, o que torna necessário observar os processos utilizando a própria amostra.» As experiências com moléculas individuais que acompanham processos químicos dependem normalmente de séries de observações de diferentes amostras com intervalos de tempo variáveis após um evento desencadeador. Essa abordagem não produz resultados precisos para partículas que podem diferir em tamanho, forma, orientação ou estrutura interna. Com duas capturas de raios X da mesma partícula, realizadas com um intervalo de tempo variável, os investigadores podem começar a acompanhar diretamente um evento único, como um nanoplasma em expansão, um aglomerado em fragmentação ou um rearranjo estrutural desencadeado pela luz. «Estamos no ponto de partida de um novo tipo de estudo», acrescenta Marcel Mudrich, da Universidade de Kassel, que propôs a experiência em conjunto com o seu colega do SQS. «Dispomos agora de lasers de eletrões livres capazes de produzir pares de impulsos de raios X com diferentes “cores”, temos detetores que distinguem as imagens com base na cor da luz de raios X espalhada e dispomos das ferramentas de análise necessárias para reconstruir a forma de partículas individuais a partir dos instantâneos de raios X registados.»
Para desenvolver e comprovar a viabilidade dos métodos de separação de cores e de dicografia, os cientistas utilizaram o instrumento SQS no European XFEL. Duas secções dos unduladores da instalação — fontes de luz de raios X com um comprimento total de 120 metros — foram sintonizadas para diferentes energias de fotões de raios X (cerca de 1,0 e 1,2 kiloelétronvolts), ou «cores», criando dois impulsos de raios X. O segundo pulso de raios X foi emitido entre dezenas e centenas de femtossegundos após o primeiro. Ambos os pulsos foram então focados em nanogotas de hélio em voo livre e os raios X espalhados foram registados num detetor pnCCD. Este dispositivo mede a carga criada pelos fotões recebidos, o que permite estimar a sua energia em cada pixel. Ao analisar a carga depositada em cada pixel e em pequenos aglomerados de píxeis, a equipa conseguiu atribuir muitos dos fotões detetados ao primeiro ou ao segundo pulso de raios X. «Isto é mais complicado do que parece», afirma Michael Meyer, cientista principal e chefe de grupo no instrumento SQS e um dos autores das publicações, «porque temos muitos fotões. Um pixel pode ter recolhido um fotão do primeiro pulso e vários fotões do segundo pulso. Além disso, um fotão também pode iluminar vários píxeis.» Linos Hecht, doutorando na ETH Zurique e primeiro autor das publicações, sublinha que «o método é muito flexível, porque não depende de nenhuma propriedade específica da amostra. Além disso, funciona melhor em áreas pouco iluminadas do detetor, em grandes ângulos de dispersão, onde se armazena a informação de alta resolução mais valiosa.»
Essa separação de cores ao nível do pixel forneceu a prova experimental de princípio. O segundo passo foi mais ambicioso: em vez de classificar os fotões detetados por cor, os investigadores pretenderam recuperar duas imagens reais da amostra a partir de um padrão de difração misto. Essa é a ideia por trás da «Dichography», desenvolvida num estudo complementar. O método utiliza algoritmos iterativos de recuperação de fase para procurar duas estruturas distintas cujas intensidades de difração, somadas, correspondem ao sinal medido. Nos dados do European XFEL, a equipa reconstruiu duas imagens separadas no tempo de uma nanogota de hélio, que continha partículas de xénon, a partir de padrões únicos sobrepostos com atrasos de 50 e 750 femtossegundos. Os vídeos de dois fotogramas mostraram que os nanoclusters de xénon incorporados pareciam essencialmente inalterados: embora a luz intensa possa fazer com que as partículas explodam, o processo mal tinha começado no intervalo de tempo observado. As experiências e as simulações que as acompanharam também demonstraram que o problema continua a ser complexo: a dicografia só funciona quando os dados são suficientemente brilhantes e as duas contribuições de cor estão razoavelmente equilibradas. «Estou convicto de que o desenvolvimento contínuo em instalações como o European XFEL tornará as limitações cada vez menos problemáticas e o nosso método cada vez mais aplicável», afirma Colombo. «Estamos a embarcar numa nova aventura científica, tornando finalmente realidade o sonho de filmar alterações estruturais ultrarrápidas em nanopartículas individuais.»
Observação: Este artigo foi traduzido usando um sistema de computador sem intervenção humana. A LUMITOS oferece essas traduções automáticas para apresentar uma gama mais ampla de notícias atuais. Como este artigo foi traduzido com tradução automática, é possível que contenha erros de vocabulário, sintaxe ou gramática. O artigo original em Inglês pode ser encontrado aqui.
Publicação original
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
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