Cuando los científicos del Laboratorio del Acelerador Nacional SLAC del Departamento de Energía enfocaron toda la intensidad del láser de rayos X más poderoso del mundo en una molécula pequeña, se llevaron una sorpresa:un solo pulso de láser eliminó todos los electrones, excepto unos pocos, del átomo más grande de la molécula de adentro hacia afuera, dejando un vacío que comenzó a atraer electrones del resto de la molécula, como un agujero negro devorando un disco de materia en espiral.

En 30 femtosegundos, millonésimas de mil millonésimas de segundo, la molécula perdió más de 50 electrones. mucho más de lo que los científicos anticiparon basándose en experimentos anteriores que usaban rayos menos intensos, o átomos aislados. Luego explotó.

Los resultados, publicado hoy en Naturaleza , Brindar a los científicos los conocimientos fundamentales que necesitan para planificar e interpretar mejor los experimentos utilizando los pulsos de rayos X más intensos y enérgicos del láser de electrones libres de rayos X de fuente de luz coherente Linac (LCLS) de SLAC. Los experimentos que requieren estas intensidades ultra altas incluyen intentos de obtener imágenes de objetos biológicos individuales, como virus y bacterias, en alta resolución. También se utilizan para estudiar el comportamiento de la materia en condiciones extremas, y comprender mejor la dinámica de carga en moléculas complejas para aplicaciones tecnológicas avanzadas.

"Para cualquier tipo de experimento que realice que enfoque rayos X intensos en una muestra, desea comprender cómo reacciona a los rayos X, ", dijo Daniel Rolles de la Universidad Estatal de Kansas." Este artículo muestra que podemos comprender y modelar el daño por radiación en moléculas pequeñas, así que ahora podemos predecir el daño que sufriremos en otros sistemas ".

Como enfocar el sol en una miniatura

El experimento, dirigido por Rolles y Artem Rudenko del estado de Kansas, tuvo lugar en el instrumento Coherent X-ray Imaging de LCLS. CXI entrega rayos X con las energías más altas posibles que se pueden lograr en LCLS, conocidas como radiografías duras, y registra datos de muestras en el instante antes de que el pulso láser las destruya.

¿Qué intensidad tienen esos pulsos de rayos X?

"Son unas cien veces más intensas de lo que obtendrías si enfocas toda la luz solar que incide en la superficie de la Tierra en una miniatura, ", dijo el científico y coautor del equipo de LCLS, Sebastien Boutet.

Cascadas de electrones de disparo de rayos X

Para este estudio, Los investigadores utilizaron espejos especiales para enfocar el haz de rayos X en un punto de poco más de 100 nanómetros de diámetro, aproximadamente una centésima parte del tamaño del utilizado en la mayoría de los experimentos CXI. y mil veces más pequeño que el ancho de un cabello humano. Examinaron tres tipos de muestras:átomos de xenón individuales, que tienen 54 electrones cada uno, y dos tipos de moléculas que contienen cada una un solo átomo de yodo, que tiene 53 electrones.

Los átomos pesados ​​alrededor de este tamaño son importantes en las reacciones bioquímicas, y los investigadores a veces los agregan a muestras biológicas para mejorar el contraste para aplicaciones de imágenes y cristalografía. Pero hasta ahora nadie había investigado cómo el rayo CXI ultra intenso afecta a las moléculas con átomos tan pesados.

El equipo sintonizó la energía de los pulsos CXI para que eliminaran selectivamente los electrones más internos de los átomos de xenón o yodo, creando "átomos huecos". Basado en estudios anteriores con radiografías menos energéticas, pensaron que las cascadas de electrones de las partes externas del átomo caerían para llenar las vacantes, solo para ser expulsados ​​por radiografías posteriores. Eso dejaría solo algunos de los electrones más unidos. Y, De hecho, eso es lo que sucedió tanto en los átomos de xenón independientes como en los átomos de yodo de las moléculas.

Pero en las moléculas el proceso no se detuvo allí. El átomo de yodo, que tenía una carga positiva fuerte después de perder la mayoría de sus electrones, continuó absorbiendo electrones de los átomos de carbono e hidrógeno vecinos, y esos electrones también fueron expulsados, uno a uno.

En lugar de perder 47 electrones, como sería el caso de un átomo de yodo aislado, el yodo en la molécula más pequeña perdió 54, incluidos los que arrebató a sus vecinos, un nivel de daño e interrupción que no solo es más alto de lo que normalmente se esperaría, pero de naturaleza significativamente diferente.

Los resultados se incorporan a la teoría para mejorar los experimentos

"Creemos que el efecto fue aún más importante en la molécula más grande que en la más pequeña, pero aún no sabemos cómo cuantificarlo, ", Dijo Rudenko." Estimamos que se expulsaron más de 60 electrones, pero en realidad no sabemos dónde se detuvo porque no pudimos detectar todos los fragmentos que volaron cuando la molécula se desintegró para ver cuántos electrones faltaban. Esta es una de las preguntas abiertas que debemos estudiar ".

Para los datos analizados hasta la fecha, el modelo teórico proporcionó una excelente concordancia con el comportamiento observado, proporcionar la confianza de que ahora se pueden estudiar sistemas más complejos, dijo el director de LCLS Mike Dunne. "Esto tiene importantes beneficios para los científicos que desean lograr imágenes de moléculas biológicas con la más alta resolución (por ejemplo, para informar el desarrollo de mejores productos farmacéuticos). Estos experimentos también guían el desarrollo de un instrumento de próxima generación para el proyecto de actualización LCLS-II, lo que proporcionará un gran salto en la capacidad debido al aumento en la tasa de repetición de 120 pulsos por segundo a 1 millón ".