Zie het als een microscopische film:een reeks röntgenfoto's toont de explosie van oververhitte nanodeeltjes. De fotoserie laat zien hoe de atomen in deze deeltjes bewegen, hoe ze plasma vormen en hoe de deeltjes van vorm veranderen.

De methode om deze foto's te maken is een gezamenlijke creatie waarbij de Kansas State University-onderzoekers Artem Rudenko en Daniel Rolles betrokken waren, beide universitair docenten natuurkunde.

De films helpen wetenschappers de interacties van intens laserlicht met materie te begrijpen. Maar nog belangrijker, deze experimenten leiden de weg naar het filmen van verschillende processen waarbij ultrasnelle dynamiek van microscopische monsters betrokken is, zoals de vorming van aerosolen - die een grote rol spelen in klimaatmodellen - of lasergestuurde fusie.

"We kunnen een echte film van de microwereld maken, "Zei Rudenko. "De belangrijkste ontwikkeling is dat we nu reeksen foto's op nanoschaal kunnen maken."

Rudenko en Rolles - beiden verbonden aan het James R. Macdonald Laboratory van de universiteit - werkten samen met onderzoekers van het SLAC National Accelerator Laboratory aan de Stanford University, Argonne National Laboratory en de Max Planck Institutes in Duitsland. Hun publicatie, "Femtoseconde en nanometervisualisatie van structurele dynamiek in oververhitte nanodeeltjes, " verschijnt in Natuurfotonica .

In dit werk, de samenwerking gebruikte intense lasers om xenon-nanoschaalclusters te verwarmen en nam vervolgens een reeks röntgenfoto's om te laten zien wat er met de deeltjes gebeurde. De fotoserie werd een film van hoe deze objecten bewegen op het niveau van femtoseconden, die een miljoenste van een miljardste van een seconde zijn.

"Wat nano zo interessant maakt, is dat het gedrag voor veel dingen verandert wanneer je op nanoschaal komt, " zei Rolles. "Nano-objecten overbruggen de kloof tussen bulkmaterie en individuele atomen of moleculen. Dit onderzoek helpt ons bij het begrijpen van het gedrag van nano-objecten en hoe ze in extreem korte tijd van vorm en eigenschappen veranderen."

De foto's van de nanodeeltjes kunnen niet worden gemaakt met normaal optisch licht, maar moet met röntgenstralen worden genomen omdat röntgenlicht nanometergolflengten heeft waarmee onderzoekers objecten op nanoschaal kunnen bekijken, zei Rolles. De lichtgolflengte moet overeenkomen met de grootte van het object.

Om de foto's te maken, de onderzoekers hadden twee ingrediënten nodig:zeer korte röntgenpulsen en zeer krachtige röntgenpulsen. De Linac Coherent Light Source bij SLAC leverde die twee ingrediënten, en Rudenko en Rolles reisden naar Californië om met deze machine de perfecte foto's te maken.

De methode om foto's te maken en de foto's die het produceert, hebben talloze toepassingen in de natuurkunde en scheikunde, zei Rolles. De methode is ook waardevol voor het visualiseren van laserinteracties met nanodeeltjes en voor het zich snel ontwikkelende gebied van nanoplasmonica, waarin de eigenschappen van nanodeeltjes worden gemanipuleerd met intense lichtvelden. Dit kan helpen om elektronica van de volgende generatie te bouwen.

"Lichtgestuurde elektronica kan veel sneller zijn dan conventionele elektronica omdat de belangrijkste processen worden aangedreven door licht, die extreem snel kan zijn, " zei Rudenko. "Dit onderzoek heeft een groot potentieel voor opto-elektronica, maar om de technologie te verbeteren, we moeten weten hoe een laser die nanodeeltjes aandrijft. De technologie voor het maken van films is een belangrijke stap in deze richting."

Rudenko en Rolles blijven het proces van het maken van films verbeteren. In samenwerking met de fysica-groep zachte materie van de universiteit, ze hebben het assortiment monsters uitgebreid, die in de röntgenmachine kan worden gestopt en nu films van goud- en silica-nanodeeltjes kan produceren.