El agua es un ingrediente esencial para la vida tal como la conocemos, constituyendo más de la mitad del cuerpo humano adulto y hasta el 90 por ciento de algunos otros seres vivos. Pero los científicos que intentan examinar pequeñas muestras biológicas con ciertas longitudes de onda de luz no han podido observarlas en su forma natural, ambientes acuosos porque el agua absorbe demasiada luz.

Ahora hay una forma de solucionar ese problema:un equipo dirigido por científicos del Laboratorio Nacional Acelerador SLAC del Departamento de Energía convirtió diminutos chorros de líquido que transportan muestras en la trayectoria de un haz de rayos X en delgados, sábanas que fluyen libremente, 100 veces más delgado que cualquiera de los producidos antes. Son tan delgados que los rayos X los atraviesan sin obstáculos, para que las imágenes de las muestras que llevan a cabo salgan claras.

El nuevo método abre nuevas ventanas sobre procesos críticos en química, física y biología, incluida la naturaleza del agua en sí, dijeron los investigadores en un informe del 10 de abril en Comunicaciones de la naturaleza .

El método fue desarrollado en el láser de electrones libres de rayos X de SLAC, la fuente de luz coherente Linac (LCLS), pero dijeron que también puede funcionar en experimentos con fuentes de luz de sincrotrón, láseres de mesa y haces de electrones.

"Esto abre posibilidades en muchos campos, "dijo el científico del personal de SLAC, Jake Koralek, quien dirigió la investigación con Daniel DePonte, líder del Departamento de Medio Ambiente de Muestras de LCLS.

"Hasta ahora, no hemos podido examinar muestras suspendidas en agua con dos tipos de luz:infrarroja y 'suave', Rayos X de baja energía:que son importantes para la creación de imágenes y el uso de la espectroscopia para estudiar los procesos básicos de la física. química y biología, incluida la física del agua, "Dijo Koralek.

"La nueva boquilla que desarrollamos, que puede crear hojas fluidas de líquido de solo 100 moléculas de agua de espesor que persisten durante días en el vacío, resuelve ese problema. Las hojas pueden incluso utilizarse para obtener imágenes de muestras con haces de electrones que resuelven detalles aún más pequeños ".

Dar forma a líquido con gas

La boquilla es un pequeño chip de vidrio con tres canales microscópicos. Una corriente de líquido fluye a través del canal del medio, formado por los flujos de gas que entran desde los canales a ambos lados. Esta boquilla en particular se hizo con fotolitografía, una técnica utilizada para fabricar chips de computadora, pero también podría fabricarse con impresión 3D, anotaron los investigadores.

A medida que los científicos aumentan la velocidad del flujo de gas, la corriente de líquido se esparce en una serie de láminas cuyo ancho y espesor se pueden controlar con precisión. La hoja más cercana a la boquilla es la más ancha y delgada; cuanto más se alejan de la boquilla, cuanto más estrechas y gruesas se vuelven las hojas hasta que finalmente se fusionan en una corriente cilíndrica.

Las sábanas brillan como pompas de jabón en una variedad de colores, el resultado de la luz que se refleja en las superficies frontal y posterior de la hoja. Y así como las curvas de nivel de un mapa topográfico marcan diferencias de elevación, el tono y el espaciado de las bandas de color en constante cambio de una hoja indican qué tan grueso es y cuánto cambia el grosor de un punto a otro.

"Es un diseño muy flexible y confiable para crear láminas líquidas ultrafinas y ligeramente más gruesas, que puede ser deseable para algunas aplicaciones ", dijo Linda Young, miembro distinguido del Laboratorio Nacional Argonne del DOE y profesor de la Universidad de Chicago que no participó en el estudio.

Ella dijo que usará la boquilla para hacer láminas de agua ligeramente más gruesas para un estudio LCLS de cómo se comportan las moléculas de agua después de que uno de sus electrones ha sido arrancado. Estas moléculas de agua ionizada persisten solo unos pocos cientos de femtosegundos, o millones de mil millonésimas de segundo, y "los rayos X proporcionan una forma completamente nueva y limpia de monitorear su respuesta electrónica en su entorno natural, por eso estamos entusiasmados con eso, "Dijo Young.

Una nueva forma de estudiar formas extremas de agua

Las láminas líquidas ya se han utilizado en experimentos que exploran las propiedades del agua en entornos extremos como los de planetas gigantes. dijo el coautor Siegfried Glenzer, profesor de SLAC y director de la División de Ciencias de Alta Densidad Energética del laboratorio.

Esos experimentos se realizaron con el láser de electrones libres FLASH en el Deutsches Elektronen-Synchrotron (DESY) de Alemania. Los investigadores utilizaron pulsos de rayos X para calentar las láminas de líquido a miles de grados para simular las temperaturas extremadamente cálidas. forma densa de agua presente en planetas gigantes como Júpiter. Luego midieron la reflectividad y conductividad del agua supercaliente con pulsos de láser óptico en el instante antes de que el agua se vaporizara. Estas medidas solo se pueden realizar en una lámina plana de agua.

"Hay muchos misterios en esos grandes planetas y son importantes para comprender la evolución de nuestro sistema planetario y de otros". ", Dijo Glenzer." Esta es una hermosa herramienta para estudiar el agua en sí, y en el futuro también estudiaremos otros materiales que podamos mezclar ".

El equipo midió el grosor de las láminas con un haz de luz infrarroja en la fuente de luz avanzada en el Laboratorio Nacional Lawrence Berkeley del DOE. y también demostró que las hojas podrían usarse para espectroscopía infrarroja, donde la luz absorbida por un material revela su composición química.