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Exploring nanoscale motion and molecular alignment using ultrafast coherent diffraction

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Filmer une nanoparticule en rayons X

Lorsqu'une particule isolée est soumise à de nombreuses impulsions X, la diffraction résultante permet de générer une image de la particule. Des scientifiques d'un projet financé par l'UE ont mis au point une méthode pour filmer en 3D ses mouvements à l'échelle nanométrique.

Technologies industrielles

L'imagerie d'une seule particule consiste à l'exposer successivement à de puissantes impulsions de rayons X cohérents, pour réaliser des «instantanés» pris avec une orientation aléatoire. Pour déterminer l'orientation de chaque image de diffraction à signal faible, (et donc pour reconstituer la totalité du motif de diffraction en 3D), il faut davantage de signal qu'actuellement. Pour surmonter cette difficulté, le projet X-MOTION (Exploring nanoscale motion and molecular alignment using ultrafast coherent diffraction) a regroupé des théoriciens et des expérimentateurs de France, d'Allemagne et des États-Unis. Ces partenaires sont qualifiés dans les techniques d'imagerie cohérente ultra rapide, la fabrication à l'échelle nanométrique, la chimie des polymères, et la spectroscopie X. La synergie entre les qualifications était essentielle pour surmonter le problème de l'orientation d'une seule particule et améliorer le signal diffracté, en utilisant des polymères dérivés de l'azobenzène. Ces polymères ont été choisis car leur orientation peut être contrôlée par la lumière UV, ce qui permet de maintenir l'alignement des particules. Les chercheurs ont commencé par analyser les propriétés de la molécule d'azobenzène, afin de déterminer si elle convenait pour manipuler un nano-anneau et isoler les molécules voulues (par exemple des protéines). Ils ont utilisé diverses techniques pour étudier l'isomérisation de complexes de l'azobenzène (ce qui change son alignement) avec des nanoparticules. Les chercheurs ont notamment testé l'usage de la diffraction ultra rapide de rayons X cohérents dans une configuration pompe-sonde, afin de suivre en temps réel l'alignement induit par l'isomérisation sur du diiodobenzonitrile, une molécule simple similaire à l'azobenzène par certains aspects. Ils ont ainsi démontré qu'il était possible de mesurer la diffraction, l'alignement et la structure de la molécule. Le projet X-MOTION a exploré une nouvelle méthode qui apportera des informations sans précédent sur la structure et la dynamique de nanoparticules complexes. Cette technique d'imagerie X devrait avoir de nombreuses applications, par exemple l'étude dans le temps de gros objets «opaques» aux électrons, et de processus biologiques essentiels.

Mots‑clés

Rayons X, imagerie d'une seule particule, X-MOTION, azobenzène, diffraction ultra rapide de rayons X cohérents

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