Se det som en mikroskopisk film:En sekvens av röntgenbilder visar explosionen av överhettade nanopartiklar. Bildserien avslöjar hur atomerna i dessa partiklar rör sig, hur de bildar plasma och hur partiklarna ändrar form.

Metoden för att ta dessa bilder är ett samarbete som involverade forskare från Kansas State University, Artem Rudenko och Daniel Rolles, båda biträdande professorer i fysik.

Filmerna hjälper forskare att förstå interaktioner mellan intensivt laserljus och materia. Men ännu viktigare, dessa experiment leder vägen till att filma olika processer som involverar ultrasnabb dynamik i mikroskopiska prover, såsom bildandet av aerosoler-som spelar en stor roll i klimatmodeller-eller laserdriven fusion.

"Vi kan skapa en riktig film av mikrovärlden, "Rudenko sa." Den viktigaste utvecklingen är att nu kan vi ta sekvenser av bilder på nanoskala. "

Rudenko och Rolles - båda anslutna till universitetets James R. Macdonald Laboratory - samarbetade med forskare vid SLAC National Accelerator Laboratory vid Stanford University, Argonne National Laboratory och Max Planck Institutes i Tyskland. Deras publicering, "Femtosekund och nanometer visualisering av strukturell dynamik i överhettade nanopartiklar, "visas i Nature Photonics .

I det här arbetet, samarbetet använde intensiva lasrar för att värma xenon-nanoskala-kluster och tog sedan en serie röntgenbilder för att visa vad som hände med partiklarna. Bildserien blev en film om hur dessa föremål rör sig på femtosekunders nivå, som är en miljonedel av en miljarddel av en sekund.

"Det som gör nano så intressant är att beteendet för många saker förändras när du kommer till nanoskala, "Rolles sa." Nano-objekt överbryggar klyftan mellan massmaterial och enskilda atomer eller molekyler. Denna forskning hjälper oss när vi försöker förstå beteendet hos nanoobjekt och hur de ändrar form och egenskaper inom extremt kort tid. "

Bilderna av nanopartiklarna kan inte tas med normalt optiskt ljus, men måste tas med röntgen eftersom röntgenljus har nanometervåglängder som gör det möjligt för forskare att se objekt i nanoskala, Sa Rolles. Ljusvåglängden måste matcha objektets storlek.

För att ta bilderna, forskarna behövde två ingredienser:mycket korta röntgenpulser och mycket kraftfulla röntgenpulser. Linac Coherent Light Source på SLAC gav de två ingredienserna, och Rudenko och Rolles reste till Kalifornien för att använda den här maskinen för att ta de perfekta bilderna.

Fotograferingsmetoden och bilderna den producerar har många tillämpningar inom fysik och kemi, Sa Rolles. Metoden är också värdefull för visualisering av laserinteraktioner med nanopartiklar och för det snabbt utvecklande området nanoplasmonik, där egenskaperna hos nanopartiklar manipuleras med intensiva ljusfält. Detta kan hjälpa till att bygga nästa generations elektronik.

"Ljusdriven elektronik kan vara mycket snabbare än konventionell elektronik eftersom de viktigaste processerna kommer att drivas av ljus, som kan vara extremt snabb, "Rudenko sa." Denna forskning har stor potential för optoelektronik, men för att förbättra tekniken, vi behöver veta hur en laser driver dessa nanopartiklar. Filmtekniken är ett viktigt steg i denna riktning. "

Rudenko och Rolles fortsätter att förbättra filmprocessen. I samarbete med universitetets fysikgrupp för mjuk materia, de har utökat utbudet av prover, som kan sättas in i röntgenmaskinen och nu kan producera filmer av guld och kiseldioxid nanopartiklar.