Una nueva forma de registrar nanopartículas
Los pulsos de rayos X bicolores captan la misma muestra en dos momentos distintos
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Uno de los grandes sueños de la ciencia ultrarrápida ha sido observar los cambios que se producen en las nanopartículas o biomoléculas en su escala de tiempo natural. Desde el punto de vista experimental, esto puede lograrse tomando dos instantáneas del mismo objeto con una diferencia de tan solo unos femtosegundos (una millonésima de milmillonésima de segundo). Sin embargo, ningún detector es lo suficientemente rápido como para registrar las dos instantáneas por separado: estas acaban superponiéndose en una sola imagen. Los científicos han empleado ahora dos métodos complementarios para separar dos patrones de difracción captados por el mismo detector de rayos X. Los resultados de un equipo internacional de investigadores se han publicado en dos artículos independientes en *Nature Communications*.
Una nueva capacidad del European XFEL ha permitido recientemente dar un gran paso hacia la realización de películas a nanoescala: el láser de rayos X puede producir destellos sucesivos de dos colores diferentes, lo suficientemente brillantes como para captar una partícula dos veces en el espacio de unos femtosegundos. Ambos métodos para separar las dos imágenes aprovechan estos diferentes colores o energías fotónicas: uno de ellos aprovecha la capacidad del detector para distinguir los niveles de energía de cada píxel individual, mientras que el otro recurre a reconstrucciones matemáticas. Sus inventores denominan a este último método «dichografía». Uno de los científicos más destacados compara la técnica con una cámara de alta velocidad extrema: «Que yo sepa, estas son las películas a nanoescala más rápidas jamás grabadas, si por película entendemos múltiples fotogramas del mismo objeto», afirma Alessandro Colombo, del Departamento de Física de la ETH de Zúrich, en Suiza.
«Esto abre la puerta a la observación de cambios rápidos en las nanopartículas, comparables a los estudios que ya son posibles desde hace tiempo con moléculas pequeñas», afirma Yevheniy Ovcharenko, científico del instrumento Small Quantum Systems (SQS) del European XFEL e investigador principal del estudio. «Estas nanopartículas son menos uniformes que las moléculas individuales, lo que hace necesario observar los procesos utilizando la misma muestra». Los experimentos con moléculas individuales que siguen procesos químicos suelen basarse en series de observaciones de diferentes muestras con retrasos variables tras un evento desencadenante. Este enfoque no ofrece resultados precisos para partículas que pueden diferir en tamaño, forma, orientación o estructura interna. Con dos capturas de rayos X de la misma partícula, realizadas con un intervalo de tiempo variable, los investigadores pueden empezar a seguir directamente un evento único, como la expansión de un nanoplasma, la fragmentación de un cúmulo o una reorganización estructural desencadenada por la luz. «Nos encontramos en el punto de partida de un nuevo tipo de estudio», añade Marcel Mudrich, de la Universidad de Kassel, quien propuso el experimento junto con su colega de la SQS. «Ahora disponemos de láseres de electrones libres capaces de producir pares de pulsos de rayos X con diferentes “colores”, contamos con detectores que distinguen entre imágenes en función del color de la luz de rayos X dispersada, y disponemos de las herramientas de análisis necesarias para reconstruir la forma de partículas individuales a partir de las instantáneas de rayos X registradas».
Para desarrollar y demostrar la viabilidad de los métodos de separación por color y de dicografía, los científicos utilizaron el instrumento SQS del European XFEL. Se sintonizaron dos secciones de los onduladores de la instalación —fuentes de luz de rayos X con una longitud total de 120 metros— a diferentes energías de fotones de rayos X (aproximadamente 1,0 y 1,2 kiloelectrónvoltios), o «colores», creando así dos pulsos de rayos X. El segundo pulso de rayos X se emitió entre decenas y cientos de femtosegundos después del primero. A continuación, ambos pulsos se enfocaron sobre nanogotas de helio en vuelo libre y los rayos X dispersados se registraron en un detector pnCCD. Este dispositivo mide la carga generada por los fotones entrantes, lo que permite estimar su energía en cada píxel. Mediante el análisis de la carga depositada en cada píxel y en pequeños grupos de píxeles, el equipo pudo asignar muchos de los fotones detectados al primer o al segundo pulso de rayos X. «Esto es más complicado de lo que parece», afirma Michael Meyer, científico principal y jefe de grupo del instrumento SQS y uno de los autores de las publicaciones, «porque tenemos muchos fotones. Un píxel puede haber recogido un fotón del primer pulso y varios fotones del segundo. Además, un fotón también puede iluminar varios píxeles». Linos Hecht, doctorando en la ETH de Zúrich y primer autor de las publicaciones, subraya que «el método es muy flexible, ya que no depende de ninguna propiedad específica de la muestra. Además, funciona mejor en zonas del detector con poca iluminación y ángulos de dispersión amplios, donde se almacena la información de alta resolución más valiosa».
Esa separación del color a nivel de píxel proporcionó la prueba experimental de principio. El segundo paso fue más ambicioso: en lugar de clasificar los fotones detectados por color, los investigadores se propusieron recuperar dos imágenes reales de la muestra a partir de un único patrón de difracción mixto. Esa es la idea que subyace a la «dichografía», desarrollada en un estudio complementario. El método utiliza algoritmos iterativos de recuperación de fase para buscar dos estructuras separadas cuyas intensidades de difracción sumen la señal medida. En los datos del European XFEL, el equipo reconstruyó dos vistas separadas en el tiempo de una nanogota de helio, que contenía partículas de xenón, a partir de patrones únicos superpuestos con retrasos de 50 y 750 femtosegundos. Las secuencias de dos fotogramas mostraron que los nanoclústeres de xenón incrustados parecían prácticamente inalterados: aunque la luz intensa puede provocar la explosión de las partículas, el proceso apenas había comenzado en el intervalo de tiempo observado. Los experimentos y las simulaciones que los acompañaban también demostraron que el problema sigue siendo difícil: la dicografía solo funciona cuando los datos son lo suficientemente brillantes y las contribuciones de los dos colores están razonablemente equilibradas. «Estoy convencido de que el desarrollo continuo en instalaciones como el European XFEL hará que las limitaciones sean cada vez menos problemáticas y que nuestro método sea cada vez más aplicable», afirma Colombo. «Nos embarcamos en una nueva aventura científica, haciendo realidad por fin el sueño de filmar cambios estructurales ultrarrápidos en nanopartículas individuales».
Nota: Este artículo ha sido traducido utilizando un sistema informático sin intervención humana. LUMITOS ofrece estas traducciones automáticas para presentar una gama más amplia de noticias de actualidad. Como este artículo ha sido traducido con traducción automática, es posible que contenga errores de vocabulario, sintaxis o gramática. El artículo original en Inglés se puede encontrar aquí.
Publicación original
Linos Hecht, Andre Al Haddad, Björn Bastian, et al.; "Dichography: two-frame ultrafast imaging from a single diffraction pattern"; Nature Communications, Volume 17, 2026-6-24
Linos Hecht, Yevheniy Ovcharenko, Asbjørn Ø. Lægdsmand, et al.; "Model-free pattern separation of two-color ultrafast X-ray diffraction"; Nature Communications, 2026-9-3
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