Instantanés 3D de nanoparticules

Depuis plus d'un siècle, la diffraction des rayons X est utilisée pour comprendre la structure des cristaux ou des protéines - la fameuse structure en double hélice de l'ADN d'information génétique a par exemple été découverte de cette manière en 1952. Cette technique consiste à bombarder l'objet à examiner avec des rayons X de courte longueur d'onde. Les rayons diffractés se superposent ensuite, créant ainsi des motifs de diffraction caractéristiques à partir desquels on peut obtenir des informations sur la forme de l'objet.

Depuis quelques années, il est également possible d'examiner de cette manière des nanoparticules individuelles avec des impulsions de rayons X très courtes et extrêmement intenses. En règle générale, on n'obtient toutefois qu'une image bidimensionnelle de la particule. Des chercheurs dirigés par la professeure de l'ETH Daniela Rupp, en collaboration avec des collègues des universités de Rostock et de Fribourg, de l'université technique de Berlin et du DESY de Hambourg, ont désormais trouvé un moyen de calculer la structure tridimensionnelle d'une nanoparticule à partir d'un seul motif de diffraction, de sorte qu'il est possible de l'"observer" sous tous les angles. À l'avenir, il devrait même être possible de réaliser de cette manière des films en 3D de la dynamique des nanostructures. Les résultats de l'équipe de chercheurs ont été publiés récemment dans la revue scientifique Science Advances.

Depuis 2019, Daniela Rupp est professeure assistante à l'ETH Zurich, où elle dirige le groupe de travail "Nanostructures et sciences radiologiques ultrarapides". Avec son équipe, elle tente de mieux comprendre l'interaction entre les impulsions de rayons X très intenses et la matière. Elle utilise pour cela comme système modèle des nanoparticules qu'elle étudie entre autres à l'Institut Paul Scherrer. "Pour l'avenir, d'excellentes possibilités s'ouvrent au nouvel instrument Maloja, sur lequel nous travaillons. page externeMesurer le début de l'année dernière comme premier groupe d'utilisateurs ont pu faire. En ce moment, l'équipe sur place met en service le mode attoseconde, avec lequel nous pouvons même observer la dynamique des électrons", explique Rupp.

Un regard plus approfondi sur les processus dynamiques

Le travail qui vient d'être publié est un pas important vers cet avenir, explique le post-doctorant Alessandro Colombo : "Nous ouvrons ainsi une fenêtre sur l'étude des processus dynamiques des plus petites particules à l'échelle de la femtoseconde."Le problème de la diffraction des rayons X avec des impulsions très intenses est que les objets à examiner s'évaporent immédiatement après le bombardement - "imager et détruire" dans le jargon des chercheurs. Comme il n'est ainsi possible de prendre qu'un seul cliché de la nanoparticule, on souhaite naturellement en tirer le plus d'informations possible. Si l'on veut calculer plus qu'une simple image 2D à partir de la figure de diffraction, il fallait jusqu'à présent imposer aux algorithmes informatiques des hypothèses très limitatives sur la forme de la nanoparticule, par exemple sur sa symétrie. Or, les subtilités de la particule qui s'écartent de ces hypothèses restent cachées. De plus, ces algorithmes nécessitaient d'entrer et d'adapter de nombreux paramètres à la main.

Algorithme amélioré

"C'est là qu'intervient notre nouvelle méthode", explique Rupp : "Grâce à notre nouvel algorithme, qui utilise une méthode de simulation très efficace et une stratégie d'optimisation habile, nous pouvons créer automatiquement des images 3D de la nanoparticule, sans avoir à définir de spécifications particulières. De cette manière, nous pouvons même voir les petites irrégularités qui se sont produites, par exemple, lors du processus de croissance de la particule". Pour atteindre la résolution 3D, les chercheurs de l'ETH utilisent non seulement la partie du motif de diffraction qui est diffractée à un petit angle de quelques degrés par rapport à l'objet, comme c'était le cas jusqu'à présent, mais aussi la partie "grand angle" de 30 degrés et plus. Cela augmente énormément la quantité d'informations à calculer à partir des données, mais l'algorithme amélioré s'en charge également.

De cette manière, l'équipe de Rupp peut désormais calculer des images 3D montrant les particules sous différents angles à partir des modèles de diffraction de nanoparticules d'argent individuelles de 70 nanomètres bombardées par des impulsions de Rōntgen d'une durée d'environ 100 femtosecondes.

Instantanés en vol libre

" Jusqu'à présent, il nous manquait cette troisième dimension ", explique Rupp, " mais nous pouvons désormais étudier de nombreux processus pour la première fois ou avec une précision bien plus grande qu'auparavant, par exemple comment les nanoparticules fondent en quelques picosecondes ou comment les nanotubes s'assemblent pour former des structures plus grandes. "Ce qui est décisif, c'est que les instantanés des particules peuvent être pris en vol libre dans le vide, c'est-à-dire sans devoir fixer les nanoparticules sur une surface comme dans la microscopie électronique. De plus, de nombreux types de particules ne peuvent pas être déposés sur une surface, car ils sont trop fragiles et ont une durée de vie trop courte. Mais même les échantillons que l'on peut examiner avec un microscope électronique sont considérablement influencés par l'interaction avec la surface. En revanche, en vol libre, les processus de fusion ou d'agrégation peuvent être étudiés entièrement sans perturbations.