Keď vedci z SLAC National Accelerator Laboratory zamerali maximálnu intenzitu najsilnejšieho röntgenového laseru na svete na malú molekulu, ostali prekvapení: Jediný laserový impulz zbavil najväčší atóm molekuly všetkých elektrónov. Postupne z vnútra von, zanechávajúc prázdnu oblasť, ktorá začala ťahať elektróny zo zvyšku molekuly, podobne ako čierna diera sťahujúca špirálový disk s hmotou.
V priebehu 30 femtosekúnd - milióntinu miliardtiny sekundy - molekula stratila viac ako 50 elektrónov, oveľa viac, ako predpokladali vedci na základe predchádzajúcich experimentov s použitím menej intenzívnych lúčov alebo izolovaných atómov. Potom to vybuchlo.
Výsledky, publikované dnes v magazíne Nature, poskytujú vedcom základné poznatky, ktoré potrebujú na lepšie plánovanie a interpretáciu experimentov s použitím najintenzívnejších a najenergetickejších röntgenových impulzov z elektrónového laseru LCLS (Linac Coherent Light Source - LACS). Experimenty, ktoré vyžadujú tieto ultra vysoké intenzity, zahŕňajú pokusy o zobrazenie jednotlivých biologických objektov, ako sú vírusy a baktérie, pri vysokom rozlíšení. Používajú sa aj na štúdium správania sa látky v extrémnych podmienkach a na lepšie pochopenie dynamiky náboja v komplexných molekulách pre pokrokové technologické aplikácie.
"Pre akýkoľvek typ experimentu, ktorý urobíte, ktorý sa zameriava na intenzívne röntgenové snímky na vzorke, chcete pochopiť, ako reaguje na röntgenové lúče," povedal Daniel Rolles z Kansas State University. "Tento článok ukazuje, že môžeme pochopiť a modelovať poškodenie žiarením v malých molekulách, takže teraz môžeme predpovedať, aké škody budeme mať v iných systémoch."
Ako by ste zaostrili Slnko na miniatúru
Experiment, vedený Rollesom a Artem Rudenkom z Kansas State, sa uskutočnil na prístroji Coherent X-ray Imaging (CXI). Poskytuje röntgenové lúče s najvyššou možnou energiou dosiahnuteľnou v LCLS, známe ako tvrdé röntgenové lúče, a zaznamenáva údaje zo vzoriek v okamihu, kedy ich laserový pulz ničí.
Aké intenzívne sú tie röntgenové pulzy?
"Sú asi stonásobne intenzívnejšie než to, čo by ste dostali, keby ste sústredili všetko slnečné svetlo, ktoré dopadá na zemský povrch na miniatúru," povedal spoluautor článku Sebastien Boutet z LCLS.
Pre túto štúdiu výskumníci použili špeciálne zrkadlá na zaostrenie röntgenového lúča na plôšku s priemerom tesne nad 100 nanometrov - asi stotinu veľkosti, ktorá bola použitá vo väčšine experimentov CXI a tisíckrát menšia ako šírka vlasu. Pozreli sa na tri typy vzoriek: jednotlivé atómy xenónu, ktoré majú 54 elektrónov a dva typy molekúl, ktoré obsahujú jeden atóm jódu, ktorý má 53 elektrónov.
Ťažké atómy približne tejto veľkosti sú dôležité v biochemických reakciách a výskumníci ich niekedy pridávajú do biologických vzoriek na zvýšenie kontrastu pri zobrazovacích a kryštalografických aplikáciách. Ale doteraz nikto nešetril, ako ultra-intenzívny lúč CXI ovplyvňuje molekuly s týmito ťažkými atómami.
Röntgenové lúče spustili elektrónové kaskády
Tím vyladil energiu impulzov CXI, aby selektívne odstránili najvnútornejšie elektróny z atómov xenónu alebo jódu a vytvárali "duté atómy". Na základe predchádzajúcich štúdií s menej energickými röntgenovými lúčmi si mysleli, že po kaskáda elektrónov z vonkajších častí atómu by sa tento zmenšil, aby vyplnil voľné miesta. Proces by zanechal len niekoľko najtuhšie viazaných elektrónov. A v skutočnosti sa to stalo aj vo voľne stojacich atómoch xenónu, ako aj v atómoch jódu v molekulách.
Ale v molekulách sa proces nezastavil. Atóm jódu, ktorý mal silný pozitívny náboj po tom, čo stratil väčšinu svojich elektrónov, pokračoval v nasávaní elektrónov zo susedných atómov uhlíka a vodíka a tieto elektróny sa tiež odhodili, jeden po druhom.
Namiesto straty 47 elektrónov, ako by to bolo v prípade izolovaného atómu jódu, jód v menšej molekule stratil 54, vrátane tých, ktoré chytil od svojich susedov - úroveň poškodenia a narušenia, ktorá nie je len vyššia, ako by sa normálne očakávalo, ale podstatne odlišná.
Výsledky pre teóriu na zlepšenie experimentov
"Myslíme si, že účinok bol ešte významnejší v prípade väčšej molekuly než v menšej molekule, ale ešte nevieme, ako to kvantifikovať," povedal Rudenko. "Odhadujeme, že bolo odhodených viac ako 60 elektrónov, ale v skutočnosti nevieme, kde sa to zastavilo, pretože sme nedokázali identifikovať všetky fragmenty, ktoré odtlietajú, keď sa molekula rozpadla, aby sme videli, koľko elektrónov chýbalo. To je jedna z otvorených otázok, ktoré potrebujeme študovať."
Pre doteraz analyzované dáta poskytol teoretický model vynikajúcu zhodu s pozorovaným správaním, preto veríme, že teraz je možné študovať zložitejšie systémy, uviedol riaditeľ LCLS Mike Dunne. "To má významné prínosy pre vedcov, ktorí chcú získať obrazy biologických molekúl s najvyšším rozlíšením, aby napríklad mohli vývíjať lepšíe lieky," povedal. "Tieto experimenty tiež pomôžu pri vývoji nástroja novej generácie, pre vylepšenie LCLS -II, ktorý prinesie veľký skok vďaka zvýšeniu rýchlosti opakovania od 120 impulzov za sekundu až po 1 milión."
Teóriu pre štúdium vedie Robin Santra z Center for Free-Electron Laser Science v DESY a na univerzite v Hamburgu v Nemecku. Iné výskumné inštitúcie, ktoré prispeli k štúdiu, boli Tohoku University v Japonsku; Max Planck Institute for Nuclear Physics, Max Planck Institute for Medical Research, Hamburg Center for Ultrafast Imaging and the National Metrology Institute (PTB) v Nemecku; University of Science and Technology v Pekingu; Aarhus University v Dánsku; Sorbonne University vo Francúzsku; Argonne Natinoal Laboratory a Brookhaven National Laboratory; University of Chicago a Northwestern University. Financovanie pre výskum pochádza od Úradu pre vedu DOE a od Nemeckej výskumnej nadácie (DFG).
Citácia: A. Rudenko a kol., Nature, 1. júna 2017 (10.1038 / nature22373)
Zdroj: www6.slac.stanford.edu
dfsfs