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Exploring nanoscale motion and molecular alignment using ultrafast coherent diffraction

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Röntgenaufnahmen der Bewegung eines Nanopartikels

Wenn ein einzelnes Nanopartikel mehreren Röntgenpulsen ausgesetzt wird, kann durch Beugung ein Bild erzeugt werden. Im Rahmen eines EU-geförderten Forschungsprojekts haben Wissenschaftler nun einen Weg gefunden, seine nanoskalige Bewegung dreidimensional zu erfassen.

Industrielle Technologien

Für die Einzelpartikelbildgebung müssen identische Objekte nacheinander starken, kohärenten Röntgenpulsen ausgesetzt werden und dann "Schnappschüsse" an unbekannten Objektorientierungen gesammelt werden. Um die Ausrichtung der einzelnen Beugungsmuster mit schwachem Signal zu bestimmen und anschließend das volle Beugungsmustervolumen in 3D zu rekonstruieren, wird ein stärkeres Signal als derzeit verfügbar benötigt. Um eine Lösung für dieses Problem zu finden, brachte das Projekt X-MOTION (Exploring nanoscale motion and molecular alignment using ultrafast coherent diffraction) experimentelle und theoretische Wissenschaftler aus Frankreich, Deutschland und den Vereinigten Staaten zusammen. Diese Projektpartner haben Erfahrung ein den Bereichen ultraschnelle kohärente Bildgebungstechniken, nanoskalige Herstellung, Polymerchemie und Röntgenspektroskopie. Die Synergie zwischen diesen Bereichen war wichtig, um das Problem der Einzelpartikelorientierung mithilfe von Azobenzol-abgeleiteten Polymeren (AZOs) zu lösen und auch das gebeugte Signal zu verbessern. AZOs wurden ausgewählt, weil ihre Orientierung unter Verwendung von UV-Licht manipuliert und gesteuert werden kann, wodurch die Ausrichtung der Partikel aufrechterhalten werden kann. Die Forscher analysierten zunächst die Eigenschaften des Azobenzolmoleküls, um zu bestimmen, ob es sich eignet, einzelne Nanorods anzutreiben und auszulösen und so Moleküle von Interesse (z.B. Proteine) zu isolieren. Sie verwendeten verschiedene fortschrittliche Techniken, um die Isomerisation (Änderung der Ausrichtung) von Azobenzol-Nanopartikel-Komplexen zu studieren. Insbesondere wurde die Verwendung von ultraschneller kohärenter Röntgenbeugung in einer Pump-Probe-Regelung in Echtzeit nach der Isomerisation-induzierten Ausrichtung getestet, wobei Diiodobenzonitrile zum Einsatz kamen. Dieses einfache Molekül ist in gewisser Weise Azobenzol ähnlich. Die Ergebnisse zeigten, dass es möglich war, Beugung, Ausrichtung und Struktur des Moleküls zu messen. X-MOTION entwickelte einen neuen Ansatz, der Informationen über Struktur und Dynamik von komplexen Nanopartikeln liefern wird, die bisher nicht möglich waren. Diese Röntgenbildgebungstechnik soll weitreichende Anwendungen finden, unter anderem die zeitaufgelöste Untersuchung großer "Elektron-Opak"-Objekte und wichtiger biologischer Prozesse.

Schlüsselbegriffe

Röntgen, Einzelpartikelbildgebung, X-MOTION, Azobenzol, ultraschnelle kohärente Röntgenbeugung

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