Holografie, zoals fotografie, is een manier om de wereld om ons heen vast te leggen. Beiden gebruiken licht om opnames te maken, maar in plaats van tweedimensionale foto's, hologrammen reproduceren driedimensionale vormen. De vorm wordt afgeleid uit de patronen die zich vormen nadat licht van een object afketst en interfereert met een andere lichtgolf die als referentie dient.

Wanneer gemaakt met röntgenlicht, holografie kan een uiterst nuttige methode zijn voor het vastleggen van afbeeldingen met een hoge resolutie van een object op nanoschaal - iets dat zo klein is, de grootte wordt gemeten in nanometers, of miljardsten van een meter.

Tot dusver, X-ray holografie is beperkt tot objecten die kristallen vormen of vertrouwden op een zorgvuldige positionering van het monster op een oppervlak. Echter, veel nanodeeltjes zijn niet-kristallijn, van korte duur en zeer kwetsbaar. Ze kunnen ook veranderingen of schade ondervinden tijdens een experiment wanneer ze op een oppervlak worden geplaatst. Spuitbussen, exotische toestanden van materie, en de kleinste levensvormen vallen vaak in deze categorieën en zijn daarom moeilijk te bestuderen met conventionele beeldvormingsmethoden.

In een recente studie op de cover van maart 2018 van Natuurfotonica , onderzoekers ontwikkelden een nieuwe holografische methode die holografie tijdens de vlucht wordt genoemd. Met deze methode, ze waren in staat om de eerste röntgenhologrammen te demonstreren van virussen van nanoformaat die niet aan een oppervlak waren gehecht.

De patronen die nodig zijn om de afbeeldingen te maken, zijn genomen bij de Linac Coherent Light Source (LCLS), de röntgenvrije-elektronenlaser van het SLAC National Accelerator Laboratory van het Department of Energy. Nanovirussen zijn bestudeerd bij LCLS zonder holografische referentie, maar de interpretatie van de röntgenfoto's vereiste veel stappen, was gebaseerd op menselijke input en was een rekenkundig uitdagende taak.

In de nieuwe studie de auteurs legden verstrooid röntgenlicht van het virus op verstrooid röntgenlicht van een referentiebol van nanoformaat. De kromming in de over elkaar heen geplaatste afbeeldingen van de twee objecten leverde diepte-informatie en details over de vorm van het 450 nanometer-brede virus, het mimivirus. Deze techniek vereenvoudigde de interpretatie van de gegevens aanzienlijk.

"In plaats van duizenden stappen en algoritmen die mogelijk niet overeenkomen, je hebt een procedure in twee stappen waarbij je duidelijk de structuur uit je afbeelding haalt, " zegt hoofdonderzoeksauteur Tais Gorkhover, een Panofsky Fellow bij SLAC en onderzoeker aan het Stanford PULSE Institute.

Nutsvoorzieningen, de wetenschappers kunnen hun reconstructie van een monster in fracties van een seconde of zelfs sneller doen met de holografische methode.

"Vóór onze studie, de interpretatie van de röntgenfoto's was erg ingewikkeld en de structuur van nanomonsters werd lang na het eigenlijke experiment gereconstrueerd met behulp van niet-triviale algoritmen, " zegt Christoph Bostedt, een wetenschapper bij het Argonne National Laboratory van de DOE en een co-auteur van de studie. "Met holografie tijdens de vlucht, de procedure is zeer eenvoudig en kan in principe worden uitgevoerd tijdens het nemen van gegevens. Dit is een echte doorbraak."

"Een ander voordeel van de holografische methode tijdens de vlucht is dat deze minder gevoelig is voor ruis en voor de artefacten die in de detector kunnen verschijnen in vergelijking met niet-holografische röntgenbeeldvorming, " zegt Anatoli Ulmer, een co-auteur en Ph.D. student van de Technische Universiteit van Berlijn in Duitsland.

Op lange termijn, de onderzoekers voorspellen dat holografie tijdens de vlucht nieuwe manieren zal bieden om luchtvervuiling te bestuderen, verbrandings- en katalytische processen, die allemaal betrekking hebben op nanodeeltjes.