Imagen de difracción de rayos X de gran angular de una nanopartícula de tetraedros maclados truncados. Crédito:Hannes Hartmann / Universidad de Rostock
Por primera vez, un equipo de investigación germano-estadounidense ha determinado la forma tridimensional de las nanopartículas de plata que vuelan libremente, utilizando el láser de rayos X FLASH de DESY. Las diminutas partículas cientos de veces más pequeño que el ancho de un cabello humano, se encontró que exhibían una variedad inesperada de formas, como los físicos de la Universidad Técnica (TU) de Berlín, la Universidad de Rostock, el SLAC National Accelerator Laboratory en los Estados Unidos y del informe DESY en la revista científica Comunicaciones de la naturaleza . Además de esta sorpresa, los resultados abren nuevas rutas científicas, como la observación directa de cambios rápidos en nanopartículas.
Las nanopartículas son cada vez más omnipresentes en nuestra vida cotidiana. Estas diminutas partículas invisible a simple vista, tienen aplicaciones muy extendidas, que van desde protectores solares y pinturas hasta filtros de color y componentes electrónicos. Incluso son prometedores para fines médicos, incluido el tratamiento del cáncer. "La funcionalidad de las nanopartículas está ligada a su forma geométrica, que a menudo es muy difícil de determinar experimentalmente, "explica el Dr. Ingo Barke de la Universidad de Rostock." Esto es particularmente desafiante cuando están presentes como partículas libres, es decir, en ausencia de contacto con una superficie o un líquido ".
La forma de la nanopartícula se puede revelar por la forma característica en que dispersa la luz de rayos X. Por lo tanto, Las fuentes de rayos X como el FLASH de DESY permiten una especie de super microscopio en el nano-mundo. Hasta aquí, la estructura espacial de las nanopartículas se ha reconstruido a partir de múltiples imágenes bidimensionales, que fueron tomadas desde diferentes ángulos. Este procedimiento no es crítico para partículas sobre sustratos sólidos, ya que las imágenes se pueden tomar desde muchos ángulos diferentes para reconstruir de forma única su forma tridimensional.
"Poner nanopartículas en contacto con una superficie o un líquido puede alterar significativamente las partículas, de modo que ya no puedas ver su forma real, "dice la Dra. Daniela Rupp de TU Berlin. Una partícula libre, sin embargo, solo se puede medir una vez en vuelo antes de que escape o sea destruido por la intensa luz de rayos X. Por lo tanto, los científicos buscaron una forma de registrar toda la información estructural de una nanopartícula con un solo pulso de láser de rayos X.
Imagen de difracción de rayos X de una nanopartícula de octaedros truncada con un diámetro de 200 nm. Crédito:Hannes Hartmann / Universität Rostock
Para alcanzar esta meta, los científicos dirigidos por el profesor Thomas Möller de la TU de Berlín y el profesor Karl-Heinz Meiwes-Broer y el profesor Thomas Fennel de la Universidad de Rostock emplearon un truco. En lugar de tomar imágenes de dispersión de ángulo pequeño habituales, los físicos registraron los rayos X dispersos en un amplio rango angular. "Este enfoque captura virtualmente la estructura desde muchos ángulos diferentes simultáneamente desde un solo disparo láser, "explica Fennel.
Los investigadores probaron este método en nanopartículas de plata libres con diámetros de 50 a 250 nanómetros (0,00005 a 0,00025 milímetros). El experimento no solo verificó la viabilidad del método complicado, pero también descubrió el sorprendente resultado de que las nanopartículas grandes exhiben una variedad de formas mucho mayor de lo esperado.
La forma de las nanopartículas libres es el resultado de diferentes principios físicos, particularmente el esfuerzo de las partículas por minimizar su energía. Como consecuencia, Las partículas grandes compuestas por miles o millones de átomos a menudo producen formas predecibles, porque los átomos solo pueden ordenarse de una manera particular para obtener un estado energéticamente favorable.
Imagen de difracción de rayos X de una nanopartícula de icosaedro con un diámetro de 240 nm. Crédito:Hannes Hartmann / Universität Rostock
En su experimento, sin embargo, los investigadores observaron numerosas formas tridimensionales altamente simétricas, incluyendo varios tipos conocidos como cuerpos platónicos y de Arquímedes. Los ejemplos incluyen el octaedro truncado (un cuerpo que consta de ocho hexágonos regulares y seis cuadrados) y el icosaedro (un cuerpo formado por veinte triángulos equiláteros). Esto último en realidad solo es favorable para partículas extremadamente pequeñas que constan de pocos átomos, y su ocurrencia con partículas libres de este tamaño era previamente desconocida. "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.
X-ray diffraction image of a decahedra nanoparticle with 180nm diameter. Credit:Hannes Hartmann/Universität Rostock
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.
