Pour la première fois, une équipe de recherche germano-américaine a déterminé la forme tridimensionnelle de nanoparticules d'argent en vol libre, en utilisant le FLASH laser à rayons X de DESY. Les minuscules particules, des centaines de fois plus petit que la largeur d'un cheveu humain, se sont avérés présenter une variété inattendue de formes, que les physiciens de l'Université technique (TU) de Berlin, l'Université de Rostock, le SLAC National Accelerator Laboratory aux États-Unis et du rapport DESY dans la revue scientifique Communication Nature . Outre cette surprise, les résultats ouvrent de nouvelles voies scientifiques, comme l'observation directe des changements rapides dans les nanoparticules.

Les nanoparticules sont de plus en plus omniprésentes dans notre vie quotidienne. Ces minuscules particules, invisible à l'œil nu, ont des applications répandues, allant de la crème solaire et des peintures aux filtres de couleur et aux composants électroniques. Ils sont même prometteurs à des fins médicales, y compris le traitement du cancer. « La fonctionnalité des nanoparticules est liée à leur forme géométrique, ce qui est souvent très difficile à déterminer expérimentalement, " explique le Dr Ingo Barke de l'Université de Rostock. " C'est particulièrement difficile lorsqu'elles sont présentes sous forme de particules libres, C'est, en l'absence de contact avec une surface ou un liquide."

La forme des nanoparticules peut être révélée par la manière caractéristique dont elles diffusent la lumière des rayons X. Par conséquent, Les sources de rayons X comme FLASH de DESY permettent une sorte de super microscope dans le nano-monde. Jusque là, la structure spatiale des nanoparticules a été reconstruite à partir de multiples images bidimensionnelles, qui ont été prises sous des angles différents. Cette procédure n'est pas critique pour les particules sur des substrats solides, car les images peuvent être prises sous de nombreux angles différents pour reconstruire de manière unique leur forme tridimensionnelle.

"La mise en contact de nanoparticules avec une surface ou un liquide peut altérer significativement les particules, de telle sorte que vous ne puissiez plus voir leur forme réelle, " dit le Dr Daniela Rupp de la TU Berlin. Une particule libre, cependant, ne peut être mesuré qu'une seule fois en vol avant qu'il ne s'échappe ou ne soit détruit par la lumière intense des rayons X. Par conséquent, les scientifiques ont cherché un moyen d'enregistrer toutes les informations structurelles d'une nanoparticule avec une seule impulsion laser à rayons X.

Pour atteindre cet objectif, les scientifiques dirigés par le professeur Thomas Möller de la TU Berlin et le professeur Karl-Heinz Meiwes-Broer et le professeur Thomas Fennel de l'Université de Rostock ont ​​utilisé une astuce. Au lieu de prendre des images de diffusion aux petits angles habituelles, les physiciens ont enregistré les rayons X diffusés dans une large plage angulaire. "Cette approche capture virtuellement la structure sous de nombreux angles différents simultanément à partir d'un seul tir laser, " explique Fenouil.

Les chercheurs ont testé cette méthode sur des nanoparticules d'argent libres d'un diamètre de 50 à 250 nanomètres (0,00005 à 0,00025 millimètres). L'expérience n'a pas seulement vérifié la faisabilité de la méthode délicate, mais a également découvert le résultat surprenant que les grandes nanoparticules présentent une plus grande variété de formes que prévu.

La forme des nanoparticules libres est le résultat de différents principes physiques, en particulier l'effort des particules pour minimiser leur énergie. Par conséquent, les grosses particules composées de milliers ou de millions d'atomes donnent souvent des formes prévisibles, car les atomes ne peuvent être disposés que d'une manière particulière pour obtenir un état énergétiquement favorable.

Dans leur expérience, cependant, les chercheurs ont observé de nombreuses formes tridimensionnelles hautement symétriques, y compris plusieurs types connus sous le nom de corps platoniciens et archimédiens. Les exemples incluent l'octaèdre tronqué (un corps composé de huit hexagones réguliers et six carrés) et l'icosaèdre (un corps composé de vingt triangles équilatéraux). Ce dernier n'est en fait favorable que pour des particules extrêmement petites constituées de peu d'atomes, 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.