La diffrazione dei raggi X viene utilizzata da più di cento anni per comprendere la struttura dei cristalli o delle proteine: la ben nota struttura a doppia elica del DNA, ad esempio, è stata scoperta in questo modo nel 1952. In questa tecnica, l’oggetto da esaminare viene bombardato con raggi X a onde corte. I fasci diffratti vengono poi sovrapposti, creando modelli di diffrazione caratteristici da cui si possono ottenere informazioni sulla forma dell’oggetto.
Da alcuni anni è possibile esaminare singole nanoparticelle con impulsi di raggi X molto brevi e molto intensi. Tuttavia, di solito si ottiene solo un’immagine bidimensionale della particella. I ricercatori guidati dalla professoressa Daniela Rupp dell’ETH, insieme ai colleghi delle Università di Rostock e Friburgo, della TU di Berlino e del DESY di Amburgo, hanno ora trovato il modo di calcolare la struttura tridimensionale di una nanoparticella da un singolo schema di diffrazione, in modo da poterla "vedere" da tutti i lati. In futuro dovrebbe essere possibile realizzare filmati 3D della dinamica delle nanostrutture. I risultati del team di ricerca sono stati recentemente pubblicati sulla rivista scientifica Science Advances.
Dal 2019, Daniela Rupp è professore assistente al Politecnico di Zurigo, dove dirige il gruppo di ricerca "Nanostructures and Ultrafast X-ray Sciences". Con il suo team, cerca di comprendere meglio l’interazione tra impulsi di raggi X molto intensi e la materia. Come sistema modello utilizza le nanoparticelle, che studia all’Istituto Paul Scherrer e altrove. "Per il futuro, si stanno aprendo eccellenti opportunità con il nuovo strumento Maloja, che abbiamo potuto misurare esternamente all’inizio dell’anno scorso come primo gruppo di utenti. Al momento, il team sta mettendo in funzione sul posto la modalità attosecondo, con la quale possiamo anche osservare la dinamica degli elettroni", dice Rupp.
Uno sguardo più profondo ai processi dinamici
Il lavoro ora pubblicato è un passo importante verso questo futuro, spiega il ricercatore post-dottorato Alessandro Colombo: "Con esso, apriamo una finestra alle indagini sui processi dinamici delle particelle più piccole nell’intervallo dei femtosecondi". Il problema della diffrazione di raggi X con impulsi molto intensi è che gli oggetti da studiare evaporano immediatamente dopo essere stati sparati - "imaging and destroying", nel gergo dei ricercatori. Poiché in questo modo è possibile scattare una sola istantanea della nanoparticella, è naturale che si voglia estrarre da essa il maggior numero di informazioni possibile. Per calcolare più di una semplice immagine 2D dal modello di diffrazione, è stato necessario fornire agli algoritmi del computer ipotesi molto limitanti sulla forma della nanoparticella, come la sua simmetria. Di conseguenza, le sottigliezze della particella che si discostano da queste ipotesi rimangono nascoste. Inoltre, con questi algoritmi, molte impostazioni dovevano essere inserite e regolate a mano.Algoritmo migliorato
"Con il nostro nuovo algoritmo, che si avvale di un metodo di simulazione molto efficiente e di un’intelligente strategia di ottimizzazione, possiamo creare automaticamente immagini 3D della nanoparticella senza dover fare alcuna specifica. In questo modo, possiamo anche vedere piccole irregolarità che possono essersi verificate, ad esempio, durante il processo di crescita della particella". Per ottenere la risoluzione 3D, i ricercatori non utilizzano solo la parte del modello di diffrazione che viene diffratta a un piccolo angolo di pochi gradi dall’oggetto, come avveniva in passato, ma anche la parte "grandangolare" di 30 gradi e oltre. Questo aumenta enormemente la quantità di informazioni da calcolare dai dati, ma l’algoritmo migliorato è in grado di gestirle.In questo modo, il team di Rupp può ora calcolare immagini 3D dai modelli di diffrazione di singole nanoparticelle d’argento di 70 nanometri, bombardate con impulsi lunghi un secondo, mostrando le particelle da diversi lati.
