För första gången, en tysk-amerikansk forskargrupp har bestämt den tredimensionella formen av frittflygande silver-nanopartiklar, med DESY:s röntgenlaser FLASH. De små partiklarna, hundratals gånger mindre än bredden på ett människohår, visade sig uppvisa en oväntad variation av former, som fysiker från Technical University (TU) Berlin, universitetet i Rostock, SLAC National Accelerator Laboratory i USA och från DESY -rapporten i den vetenskapliga tidskriften Naturkommunikation . Förutom denna överraskning, resultaten öppnar nya vetenskapliga vägar, såsom direkt observation av snabba förändringar i nanopartiklar.

Nanopartiklar blir alltmer genomgripande i våra vardagsliv. Dessa små partiklar, osynlig för blotta ögat, har omfattande tillämpningar, allt från solskyddsmedel och färg till färgfilter och elektroniska komponenter. De är till och med lovande för medicinska ändamål inklusive cancerbehandling. "Nanopartiklarnas funktionalitet är kopplad till deras geometriska form, som ofta är mycket svårt att avgöra experimentellt, "förklarar Dr Ingo Barke från University of Rostock." Detta är särskilt utmanande när de finns som fria partiklar, det är, i avsaknad av kontakt med en yta eller en vätska. "

Nanopartikelformen kan avslöjas från det karakteristiska sättet hur den sprider röntgenljus. Därför, Röntgenkällor som DESY's FLASH möjliggör ett slags supermikroskop in i nanovärlden. Än så länge, nanopartiklarnas rumsliga struktur har rekonstruerats från flera tvådimensionella bilder, som togs från olika vinklar. Denna procedur är okritisk för partiklar på fasta underlag, eftersom bilderna kan tas från många olika vinklar för att på ett unikt sätt rekonstruera sin tredimensionella form.

"Att få nanopartiklar i kontakt med en yta eller en vätska kan väsentligt förändra partiklarna, så att du inte längre kan se deras verkliga form, "säger doktor Daniela Rupp från TU Berlin. En fri partikel, dock, kan bara mätas en gång under flygning innan den antingen flyr eller förstörs av det intensiva röntgenljuset. Därför, forskarna letade efter ett sätt att spela in hela den strukturella informationen om en nanopartikel med en enda röntgenlaserpuls.

För att uppnå detta mål, forskarna under ledning av prof. Thomas Möller från TU Berlin och prof. Karl-Heinz Meiwes-Broer och prof. Thomas Fennel från universitetet i Rostock använde ett trick. Istället för att ta vanliga småvinkelspridande bilder, fysikerna registrerade de spridda röntgenstrålarna i ett brett vinkelområde. "Detta tillvägagångssätt fångar praktiskt taget strukturen från många olika vinklar samtidigt från ett enda laserskott, "förklarar fänkål.

Forskarna testade denna metod på fria silver -nanopartiklar med diametrar på 50 till 250 nanometer (0,00005 till 0,00025 millimeter). Experimentet verifierade inte bara genomförbarheten av den knepiga metoden, men avslöjade också det överraskande resultatet att stora nanopartiklar uppvisar en mycket större variation av former än förväntat.

Formen på fria nanopartiklar är ett resultat av olika fysiska principer, särskilt partiklarnas försök att minimera sin energi. Följaktligen, stora partiklar sammansatta av tusentals eller miljoner atomer ger ofta förutsägbara former, eftersom atomerna bara kan ordnas på ett visst sätt för att erhålla ett energiskt gynnsamt tillstånd.

I deras experiment, dock, forskarna observerade många mycket symmetriska tredimensionella former, inklusive flera typer som kallas platoniska och arkimediska kroppar. Exempel inkluderar den stympade oktaedronen (en kropp bestående av åtta regelbundna sexkantar och sex rutor) och ikosaedern (en kropp bestående av tjugo liksidiga trianglar). Det senare är faktiskt bara gynnsamt för extremt små partiklar som består av få atomer, 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.