NOXSS (X-ray Single Shots of Nano Objects) un approccio sperimentale e teorico integrato per la caratterizzazione strutturale di nano e micro oggetti (clusters, nanocristalli, biomolecole, virus, liposomi) utilizzando gli impulsi X ultrabrevi ed ultrabrillanti delle sorgenti free electron laser europee
ProjectL'obiettivo del progetto è la determinazione della struttura 3D di nano-oggetti (cluster e complessi proteici) puntando alla visualizzazione degli oggetti singoli. La diffusione di raggi X coerenti, campionata finemente, permette la determinazione strutturale con tecniche di sovracampionamento e con algoritmi numerici iterativi.
La necessità di implementare tale approccio viene dalla difficoltà di cristallizzare molte classi di materiali, quali le proteine di membrana, e dall'inevitabilità del danno da radiazione che si accumula nei tempi tipici di esposizione per l'acquisizione delle intensità diffratte. La disponibilità di Free Electron Laser (FEL) capaci di produrre campi elettromagnetici ultraintensi di durata 10-100 fs permette di adottare un approccio diverso ¿battendo sul tempo¿ lo sviluppo del danno da radiazione (esplosione coulombiana della nanostruttura esposta) perché un segnale di intensità utilizzabile (4-5 ordini di grandezza superiore a quello ottenuto con la luce di sincrotrone) si ottiene con una singola esposizione e l'esperimento può essere ripetuto su molte nanoparticelle identiche.
Il primo X-ray FEL di Stanford (LCLS, SASE) ha dimostrato la possibilità di diffrazione di Bragg su nanocristalli con risoluzione di 0.5 nm, e la diffusione coerente CDI (coherent diffraction imaging) da oggetti non cristallini. La sorgente FERMI@Elettra, basata sullo schema ¿seeded¿ è operativa a 32 nm e in fase di collaudo (FERMI II) per raggiungere i 4nm, come FLASH ad Amburgo. La nuove sorgente europea EU-XFEL è in costruzione con l'obiettivo di fornire impulsi di raggi X da 0.1 nm ad alta frequenza nel 2016. NOXSS si propone lo sviluppo metodologico e strumentale per l'analisi strutturale CDI di nano-oggetti nella modalità ¿diffract and destroy¿ con l'obiettivo di realizzare esperimenti su aggregati molecolari inorganici (cluster) e biologici (nanocristalli, complessi proteici e proto-fibrille) utilizzando MIUR - BANDO 2012- 10 - Ministero dell'Istruzione dell'Università e della Ricerca le infrastrutture FEL, la luce di sincrotrone, la CDI con elettroni, e preparando le competenze, le condizioni sperimentali e la produzione e manipolazione dei campioni per la sperimentazione con EU-XFEL. Gli obiettivi del PRIN NOXSS sono la realizzazione di strumentazione di manipolazione e consegna dei campioni nanometrici al centro di collisione con gli impulsi FEL, lo sviluppo delle metodiche CDI, l'analisi teorica degli effetti di campo EM ultraintenso, le strategie di inversione dei dati, la produzione dei campioni adatti alla visualizzazione con risoluzione 4nm e la preparazione degli esperimenti ad alta risoluzione, lo sviluppo e caratterizzazione di rivelatori 2D a matrice per radiazione diffusa/diffratta dal campione. NOXSS realizzerà, tramite il PRIN, una collaborazione interdisciplinare essenziale per l'utilizzo competitivo di FERMI e di EU-XFEL con obiettivi scientifici anche di lungo termine (nano-oggetti funzionali, proteine di membrana, aspetti dinamici).
La necessità di implementare tale approccio viene dalla difficoltà di cristallizzare molte classi di materiali, quali le proteine di membrana, e dall'inevitabilità del danno da radiazione che si accumula nei tempi tipici di esposizione per l'acquisizione delle intensità diffratte. La disponibilità di Free Electron Laser (FEL) capaci di produrre campi elettromagnetici ultraintensi di durata 10-100 fs permette di adottare un approccio diverso ¿battendo sul tempo¿ lo sviluppo del danno da radiazione (esplosione coulombiana della nanostruttura esposta) perché un segnale di intensità utilizzabile (4-5 ordini di grandezza superiore a quello ottenuto con la luce di sincrotrone) si ottiene con una singola esposizione e l'esperimento può essere ripetuto su molte nanoparticelle identiche.
Il primo X-ray FEL di Stanford (LCLS, SASE) ha dimostrato la possibilità di diffrazione di Bragg su nanocristalli con risoluzione di 0.5 nm, e la diffusione coerente CDI (coherent diffraction imaging) da oggetti non cristallini. La sorgente FERMI@Elettra, basata sullo schema ¿seeded¿ è operativa a 32 nm e in fase di collaudo (FERMI II) per raggiungere i 4nm, come FLASH ad Amburgo. La nuove sorgente europea EU-XFEL è in costruzione con l'obiettivo di fornire impulsi di raggi X da 0.1 nm ad alta frequenza nel 2016. NOXSS si propone lo sviluppo metodologico e strumentale per l'analisi strutturale CDI di nano-oggetti nella modalità ¿diffract and destroy¿ con l'obiettivo di realizzare esperimenti su aggregati molecolari inorganici (cluster) e biologici (nanocristalli, complessi proteici e proto-fibrille) utilizzando MIUR - BANDO 2012- 10 - Ministero dell'Istruzione dell'Università e della Ricerca le infrastrutture FEL, la luce di sincrotrone, la CDI con elettroni, e preparando le competenze, le condizioni sperimentali e la produzione e manipolazione dei campioni per la sperimentazione con EU-XFEL. Gli obiettivi del PRIN NOXSS sono la realizzazione di strumentazione di manipolazione e consegna dei campioni nanometrici al centro di collisione con gli impulsi FEL, lo sviluppo delle metodiche CDI, l'analisi teorica degli effetti di campo EM ultraintenso, le strategie di inversione dei dati, la produzione dei campioni adatti alla visualizzazione con risoluzione 4nm e la preparazione degli esperimenti ad alta risoluzione, lo sviluppo e caratterizzazione di rivelatori 2D a matrice per radiazione diffusa/diffratta dal campione. NOXSS realizzerà, tramite il PRIN, una collaborazione interdisciplinare essenziale per l'utilizzo competitivo di FERMI e di EU-XFEL con obiettivi scientifici anche di lungo termine (nano-oggetti funzionali, proteine di membrana, aspetti dinamici).