Pela primeira vez, uma equipe de pesquisa germano-americana determinou a forma tridimensional de nanopartículas de prata que voam livremente, usando o FLASH de raio-X do DESY. As minúsculas partículas, centenas de vezes menor que a largura de um cabelo humano, foram encontrados para exibir uma variedade inesperada de formas, como os físicos da Universidade Técnica (TU) de Berlim, a Universidade de Rostock, o SLAC National Accelerator Laboratory nos Estados Unidos e do relatório DESY na revista científica Nature Communications . Além dessa surpresa, os resultados abrem novas rotas científicas, como a observação direta de mudanças rápidas nas nanopartículas.

As nanopartículas estão se tornando cada vez mais difundidas em nossa vida cotidiana. Essas minúsculas partículas, invisível a olho nu, têm aplicações generalizadas, variando de protetor solar e tintas a filtros de cores e componentes eletrônicos. Eles são até promissores para fins médicos, incluindo tratamento de câncer. “A funcionalidade das nanopartículas está ligada à sua forma geométrica, que muitas vezes é muito difícil de determinar experimentalmente, "explica o Dr. Ingo Barke, da Universidade de Rostock." Isso é particularmente desafiador quando estão presentes como partículas livres, isso é, na ausência de contato com uma superfície ou um líquido. "

A forma da nanopartícula pode ser revelada pela maneira característica como ela espalha a luz de raios-X. Portanto, Fontes de raios-X como o FLASH de DESY permitem uma espécie de supermicroscópio no nanomundo. Até aqui, a estrutura espacial das nanopartículas foi reconstruída a partir de várias imagens bidimensionais, que foram tiradas de diferentes ângulos. Este procedimento não é crítico para partículas em substratos sólidos, já que as imagens podem ser tiradas de muitos ângulos diferentes para reconstruir com exclusividade sua forma tridimensional.

"Colocar nanopartículas em contato com uma superfície ou um líquido pode alterar significativamente as partículas, de forma que você não pode mais ver sua forma real, "diz a Dra. Daniela Rupp da TU Berlin. Uma partícula livre, Contudo, só pode ser medido uma vez em vôo antes de escapar ou ser destruído pela intensa luz de raios-X. Portanto, os cientistas procuraram uma maneira de registrar todas as informações estruturais de uma nanopartícula com um único pulso de laser de raios-X.

Para atingir esse objetivo, os cientistas liderados pelo Prof. Thomas Möller da TU Berlin e Prof. Karl-Heinz Meiwes-Broer e Prof. Thomas Fennel da Universidade de Rostock empregaram um truque. Em vez de obter imagens comuns de espalhamento de pequeno ângulo, os físicos registraram os raios X espalhados em uma ampla faixa angular. "Esta abordagem captura virtualmente a estrutura de muitos ângulos diferentes simultaneamente a partir de um único tiro de laser, "explica Fennel.

Os pesquisadores testaram este método em nanopartículas de prata livres com diâmetros de 50 a 250 nanômetros (0,00005 a 0,00025 milímetros). O experimento não apenas verificou a viabilidade do método complicado, mas também descobriu o resultado surpreendente de que nanopartículas grandes exibem uma variedade de formas muito maior do que o esperado.

A forma das nanopartículas livres é resultado de diferentes princípios físicos, particularmente o esforço das partículas para minimizar sua energia. Consequentemente, grandes partículas compostas por milhares ou milhões de átomos, muitas vezes produzem formas previsíveis, porque os átomos só podem ser arranjados de uma maneira particular para obter um estado energeticamente favorável.

Em seu experimento, Contudo, os pesquisadores observaram inúmeras formas tridimensionais altamente simétricas, incluindo vários tipos conhecidos como corpos platônicos e arquimedianos. Os exemplos incluem o octaedro truncado (um corpo que consiste em oito hexágonos regulares e seis quadrados) e o icosaedro (um corpo feito de vinte triângulos equiláteros). O último é realmente favorável apenas para partículas extremamente pequenas consistindo de poucos átomos, 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.