X射线衍射已经使用了一百多年的时间来理解晶体或蛋白质的结构 - 例如，在1952年，以这种方式发现了携带遗传信息的DNA的众所周知的双螺旋结构。在这种技术中，被研究的物体受到短波长X射线束的轰击。然后衍射光束会干涉，从而产生特征性衍射图案，从中可以获得有关物体形状的信息。

几年来，甚至可以使用非常短且非常强烈的X射线脉冲以这种方式研究单个纳米颗粒。然而，这通常只产生粒子的二维图像。由ETH教授Daniela Rupp领导的一组研究人员与罗斯托克大学和弗莱堡大学，柏林工业大学和汉堡DESY大学的同事一起，现在已经找到了一种方法，也可以从单个衍射图案计算三维结构，以便人们可以从各个方向“观察”粒子。在未来，甚至应该有可能以这种方式制作纳米结构动力学的3D电影。这项研究的结果最近发表在科学期刊《科学进展》上。

Daniela Rupp自2019年以来一直担任苏黎世联邦理工学院的助理教授，领导“纳米结构和超快X射线科学”研究小组。她与她的团队一起试图更好地了解非常强烈的X射线脉冲与物质之间的相互作用。作为模型系统，他们使用纳米颗粒，他们也在Paul Scherrer研究所进行研究。“对于未来，新的Maloja仪器有很大的机会，我们是去年初第一个进行测量的用户组。现在我们的团队正在激活阿秒模式，我们甚至可以观察电子的动力学，“Rupp说。

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更深入地了解动态过程

正如博士后研究员亚历山德罗·科伦坡(Alessandro Colombo)所解释的那样，最近发表的工作是迈向这一未来的重要一步，“通过这项工作，我们为飞秒状态下极小粒子的动力学过程研究打开了一扇窗。使用非常强烈的脉冲进行X射线衍射的问题在于，被研究的物体在轰击后立即蒸发 - 用研究人员的术语来说，“衍射和破坏”。

由于这意味着只能制作纳米颗粒的单个快照，因此当然希望从中获得尽可能多的信息。为了从衍射图案中计算出超过2D的图像，到目前为止，人们不得不对计算机算法施加一些关于纳米颗粒形状的强烈限制性假设，例如其对称性。然而，通过这种方式，偏离这些假设的粒子的任何细节仍然是隐藏的。此外，使用这些算法，许多调整必须手动进行。

改进的算法

“这就是我们的新方法的用武之地，”Rupp说。“使用我们的新算法，它使用非常有效的模拟方法和巧妙的优化策略，我们可以自动生成纳米颗粒的3D图像，而不必施加特定的要求。这使我们能够看到微小的不规则性，这些不规则性可能是由颗粒的生长过程引起的。

为了实现3D分辨率，ETH的研究人员不仅使用衍射图案中由几度的小角度衍射的部分，这是迄今为止的惯例，而且还使用30度或更大的广角部分。当然，这意味着要检索的信息量大大增加，但改进的算法甚至可以应对这种情况。

通过这种方式，从70纳米大小的单个银纳米颗粒的衍射图案中，用持续约100飞秒的X射线脉冲轰击，Rupp的团队现在可以计算出从不同角度显示粒子的3D图片。

自由飞行中的快照

“到目前为止，我们错过了第三个维度，”Rupp说，“但现在我们可以首次或以前所未有的精度研究许多过程，例如，纳米颗粒如何在几皮秒内熔化或纳米棒如何积累形成更大的物体。“关键的一点是，快照可以在真空中自由飞行，而不必像电子显微镜那样将纳米颗粒固定在表面上。

此外，许多种类的颗粒甚至不能放在表面上，因为它们太脆弱或寿命短。但即使是那些可以用电子显微镜研究的样品，它们与表面的相互作用也会受到很大影响。另一方面，在自由飞行中，可以在没有任何干扰的情况下研究熔化或聚集过程。