Voor de eerste keer, een Duits-Amerikaans onderzoeksteam heeft de driedimensionale vorm van vrij vliegende zilveren nanodeeltjes bepaald, met behulp van DESY's röntgenlaser FLASH. De kleine deeltjes, honderden keren kleiner dan de breedte van een mensenhaar, bleken een onverwachte verscheidenheid aan vormen te vertonen, zoals de natuurkundigen van de Technische Universiteit (TU) Berlijn, de universiteit van Rostock, het SLAC National Accelerator Laboratory in de Verenigde Staten en uit het DESY-rapport in het wetenschappelijke tijdschrift Natuurcommunicatie . Naast deze verrassing, de resultaten openen nieuwe wetenschappelijke routes, zoals directe observatie van snelle veranderingen in nanodeeltjes.

Nanodeeltjes zijn steeds meer doordringend in ons dagelijks leven. Deze kleine deeltjes, onzichtbaar voor het blote oog, wijdverbreide toepassingen hebben, variërend van zonnebrandcrème en verf tot kleurfilters en elektronische componenten. Ze zijn zelfs veelbelovend voor medische doeleinden, waaronder de behandeling van kanker. "De functionaliteit van nanodeeltjes is gekoppeld aan hun geometrische vorm, die vaak zeer moeilijk experimenteel te bepalen is, " legt Dr. Ingo Barke van de Universiteit van Rostock uit. "Dit is vooral een uitdaging wanneer ze aanwezig zijn als vrije deeltjes, dat is, bij afwezigheid van contact met een oppervlak of een vloeistof."

De vorm van de nanodeeltjes kan worden onthuld door de karakteristieke manier waarop het röntgenlicht verstrooit. Daarom, Röntgenbronnen zoals DESY's FLASH maken een soort supermicroscoop in de nanowereld mogelijk. Tot dusver, de ruimtelijke structuur van nanodeeltjes is gereconstrueerd uit meerdere tweedimensionale afbeeldingen, die vanuit verschillende hoeken zijn genomen. Deze procedure is onkritisch voor deeltjes op vaste substraten, omdat de afbeeldingen vanuit veel verschillende hoeken kunnen worden genomen om hun driedimensionale vorm op unieke wijze te reconstrueren.

"Nanodeeltjes in contact brengen met een oppervlak of een vloeistof kan de deeltjes aanzienlijk veranderen, zodat u hun werkelijke vorm niet meer kunt zien, " zegt Dr. Daniela Rupp van de TU Berlijn. Een vrij deeltje, echter, kan tijdens de vlucht slechts één keer worden gemeten voordat het ontsnapt of wordt vernietigd door het intense röntgenlicht. Daarom, de wetenschappers zochten naar een manier om de volledige structurele informatie van een nanodeeltje vast te leggen met een enkele röntgenlaserpuls.

Om dit doel te bereiken, de wetenschappers onder leiding van prof. Thomas Möller van de TU Berlijn en prof. Karl-Heinz Meiwes-Broer en prof. Thomas Fennel van de universiteit van Rostock gebruikten een truc. In plaats van de gebruikelijke kleine-hoekverstrooiingsbeelden te maken, de natuurkundigen registreerden de verstrooide röntgenstralen in een groot hoekbereik. "Deze aanpak legt de structuur virtueel vanuit veel verschillende hoeken tegelijk vast vanuit een enkele laseropname, ", legt Venkel uit.

De onderzoekers testten deze methode op vrije zilveren nanodeeltjes met een diameter van 50 tot 250 nanometer (0.00005 tot 0.00025 millimeter). Het experiment verifieerde niet alleen de haalbaarheid van de lastige methode, maar ontdekte ook het verrassende resultaat dat grote nanodeeltjes een veel grotere verscheidenheid aan vormen vertonen dan verwacht.

De vorm van vrije nanodeeltjes is het resultaat van verschillende fysische principes, vooral de poging van de deeltjes om hun energie te minimaliseren. Bijgevolg, grote deeltjes bestaande uit duizenden of miljoenen atomen geven vaak voorspelbare vormen, omdat de atomen alleen op een bepaalde manier kunnen worden gerangschikt om een ​​energetisch gunstige toestand te verkrijgen.

In hun experiment hebben echter, observeerden de onderzoekers tal van zeer symmetrische driedimensionale vormen, waaronder verschillende typen die bekend staan ​​als platonische en archimedische lichamen. Voorbeelden zijn de afgeknotte octaëder (een lichaam bestaande uit acht regelmatige zeshoeken en zes vierkanten) en de icosaëder (een lichaam bestaande uit twintig gelijkzijdige driehoeken). Dat laatste is eigenlijk alleen gunstig voor extreem kleine deeltjes bestaande uit weinig atomen, and its occurrence with free particles of this size was previously unknown. "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.

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.