Os flashes curtos de raios X em attossegundos permitem novas técnicas de imagiologia
A descoberta permite obter instantâneos de alta resolução de processos ultra-rápidos, como reacções químicas, com uma precisão temporal sem precedentes
Uma equipa de investigação da Universidade de Hamburgo e parceiros de colaboração conseguiram um grande avanço: A equipa conseguiu captar imagens de nanopartículas individuais utilizando impulsos de raios X de um só attossegundo. Este feito, publicado na revista Nature Communications, permite obter instantâneos de alta resolução de fenómenos dinâmicos, como reacções químicas e transições de fase, com uma precisão temporal sem precedentes.
A ciência dos attossegundos, que foi galardoada com o Prémio Nobel da Física em 2023, está a mudar a nossa compreensão da forma como os electrões se movem nos átomos, moléculas e sólidos. Um attosecond - um bilionésimo de bilionésimo de segundo - permite visualizar em câmara lenta processos naturais que ocorrem a uma velocidade extraordinária. Até agora, porém, a maior parte das experiências com attossegundos limitavam-se a medições espectroscópicas, devido às limitações das fontes de impulsos de luz de attossegundos.
Utilizando o potente laser de electrões livres de raios X (FEL) do Laboratório Nacional SLAC, na Califórnia, a equipa de Hamburgo investigou a forma como os impulsos ultracurtos interagem com as nanopartículas. Ao fazê-lo, descobriram um fenómeno anteriormente inexplorado: ressonâncias de iões voláteis que aumentam o brilho da imagem de raios X das nanopartículas. Estas ressonâncias voláteis, que ocorrem quando os impulsos FEL são mais curtos do que os utilizados na maioria das experiências, aumentam significativamente a eficiência da dispersão de raios X. Esta descoberta não só melhora a qualidade e o detalhe das imagens de difração, mas é também um passo crucial para a obtenção de imagens à escala atómica.
"Inicialmente, ficámos intrigados com os sinais de difração de raios X inesperadamente fortes nas nossas experiências na Fonte de Luz Coerente Linac", diz Tais Gorkhover, um dos principais autores do estudo da Universidade de Hamburgo e investigador no Cluster of Excellence "CUI: Advanced Imaging of Matter". "Após um rigoroso controlo de qualidade dos nossos dados e uma verificação independente por simulação, conseguimos confirmar o efeito". Quando impulsos intensos de raios X atingem a matéria, os electrões - os principais responsáveis pela difração de raios X - normalmente destacam-se devido à ionização, deixando iões que dispersam os raios X de forma menos eficaz. No entanto, o estudo atual mostra que estes iões podem aumentar a sua eficiência de difração em ordens de grandeza sob impulsos FEL extremamente curtos e especialmente sintonizados.
"Esta descoberta oferece uma nova abordagem para melhorar tanto o brilho como a resolução das imagens de difração de raios X", explica Stephan Kuschel, primeiro autor do estudo. "Esta técnica abre a possibilidade de visualizar processos ultra-rápidos, tais como reacções químicas e transformações catalíticas no seu ambiente natural, com uma resolução temporal notável".
Os resultados sublinham a importância de alargar os limites tecnológicos da imagiologia de raios X para revelar a dinâmica invisível da matéria. Com mais progressos, esta descoberta promete ter implicações em áreas como a química, a ciência dos materiais e a nanotecnologia. "Este é um passo em direção ao objetivo final de captar átomos individuais em movimento", afirmaram os investigadores. "Ao afinar as condições dos impulsos de raios X, seremos capazes de observar pormenores que anteriormente eram inatingíveis."
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Publicação original
Stephan Kuschel, Phay J. Ho, Andre Al Haddad, Felix F. Zimmermann, Leonie Flueckiger, Matthew R. Ware, Joseph Duris, James P. MacArthur, Alberto Lutman, Ming-Fu Lin, Xiang Li, Kazutaka Nakahara, Jeff W. Aldrich, Peter Walter, Linda Young, Christoph Bostedt, Agostino Marinelli, Tais Gorkhover; "Non-linear enhancement of ultrafast X-ray diffraction through transient resonances"; Nature Communications, Volume 16, 2025-1-20
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