Leyendo estas palabras tus ojos te permiten ver cada letra y los espacios entre ellas. Pero si necesitas anteojos para leer, las letras pueden ser borrosas o incomprensibles. Los científicos enfrentan un desafío similar. La recopilación de los datos correctos depende de contar con herramientas que puedan proporcionar Medidas integrales. Después de todo, los científicos quieren tener la vista más clara posible.

El físico Artem Rudenko de la Universidad Estatal de Kansas y sus colegas reflexionaron sobre cómo mejorar las imágenes de virus y micropartículas que los científicos obtienen de los rayos X. Para profundizar en el problema, dispararon el láser de rayos X más poderoso del mundo, ubicado en la fuente de luz coherente Linac (LCLS) de la oficina de ciencia del Departamento de Energía (DOE), a una serie de átomos y moléculas.

¿Podemos confiar en lo que vemos?

Los científicos utilizan regularmente fuentes de luz de rayos X para tomar fotografías y videos de procesos y objetos biológicos y químicos. Por ejemplo, un estudio reciente en el LCLS analizó cómo interactúan los antibióticos y las partes del cuerpo que producen proteínas.

Pero como los ojos de una persona con visión de futuro, estos instrumentos pueden afectar la percepción de los científicos. En menos tiempo del que tarda la luz en viajar un milímetro, la radiografía borra la muestra. Pero los rayos X dañan la muestra mucho antes de que sea aniquilada, incluso mientras los científicos intentan capturar sus imágenes.

Esto significa que las imágenes capturadas son de una muestra dañada, no el original. Eso puede distorsionar los datos y cómo los científicos los interpretan.

Los científicos han trabajado bastante en el estudio de los efectos de los rayos X "suaves" de menor energía. Concluyeron que las imágenes de rayos X suaves proporcionan una buena reproducción de las estructuras originales a pesar del daño.

Pero la mayoría de las investigaciones de imágenes utilizan rayos X "duros" de mayor energía porque a menudo brindan más detalles. Los científicos tenían menos datos sobre el daño que causan los rayos X duros muy intensos. No tenían el equivalente a una tabla optométrica para estimar el alcance del problema o lo que podría necesitar ser ajustado. Rudenko y sus colegas intentaron cambiar eso.

El único lugar en el mundo

Era obvio adónde tenían que ir:el LCLS.

"Ese era el único lugar del mundo en el que podíamos enfocar esta [cantidad de] luz, "dijo Rudenko.

El equipo analizó cómo los rayos X afectan a los átomos pesados ​​con muchos protones, neutrones y electrones. Muchos átomos pesados ​​desempeñan funciones importantes en reacciones biológicas, como el papel del yodo en la producción de hormonas. Debido a que los átomos pesados ​​interactúan más con los rayos X que los ligeros, Los científicos suelen utilizar átomos pesados ​​para obtener imágenes más claras.

Como todos los demás, el equipo tuvo que competir por tiempo en el LCLS, una instalación para usuarios de la Oficina de Ciencias alojada por el Laboratorio Acelerador Nacional SLAC del DOE. Reescribieron y volvieron a enviar su propuesta tres veces antes de que fuera aceptada. En comparación con la investigación médica, fue una venta difícil. "Solo queríamos explotar al máximo una molécula, "dijo Daniel Rolles, profesor asistente en la Universidad Estatal de Kansas. "Nuestro argumento fue, 'Hey Mira, ustedes solo pueden entender lo que están haciendo si nos dejan hacer nuestras cosas primero '".

El momento de la verdad

Finalmente llegó el momento de encender la radiografía.

"Eran solo todas las perillas a la derecha, ", dijo Rolles." Básicamente hicimos todo lo posible en términos de intensidad ".

Primero, chocan contra un átomo de xenón con toda la potencia del LCLS.

Esa reacción fue como se esperaba. Los electrones ionizados de rayos X cerca del núcleo, arruinándolos fuera del átomo. A medida que los espacios más cercanos se vaciaron, los electrones más alejados se movieron hacia adentro. Luego, los nuevos electrones se energizaron y también se alejaron del átomo. En una millonésima de mil millonésima de segundo, ese proceso se repitió hasta que solo quedaron unos pocos electrones. En general, un solo átomo de xenón expulsó 48 de sus 54 electrones.

Satisfecho, el equipo volvió a ejecutar todo el experimento. Esta vez, apuntaron los rayos X a un átomo de yodo rodeado por algunos otros en una molécula.

Fue entonces cuando las cosas se pusieron raras.

"Estaba claro que algo estaba sucediendo en estas condiciones experimentales que no habíamos visto en ningún otro lugar, así que fue muy emocionante, "dijo Rebecca Boll, un científico del estudio que trabaja en la instalación europea de láser de electrones libres de rayos X.

El equipo esperaba que el yodo se expulsara, absorber, y luego expulsar más electrones de la forma en que lo hizo el xenón. Pero cuando el yodo se quedó sin electrones, no se detuvo. En lugar de, el yodo absorbió electrones de los átomos de carbono e hidrógeno circundantes. Después de expulsar 47 de sus propios electrones, pasó por siete más. Al terminar, el yodo alteró fundamentalmente las estructuras electrónicas del carbono y del hidrógeno.

El equipo quería ver si sucedería lo mismo con una molécula más grande. Pegando otra molécula que contiene yodo debajo de la radiografía, vieron como escupía tantos fragmentos que era difícil seguirles la pista. Estimaron que expulsó más de 60 electrones.

Revelando el por qué

Si bien los investigadores sabían lo que sucedió, no sabían por qué. Un átomo de yodo que pierde dos electrones podría resultar en una gran cantidad de posibles estructuras de electrones. El átomo de yodo no solo perdió más de 50 electrones, su estructura cambió por completo después de cada pérdida.

Para ayudar a explicar este proceso, recurrieron a sus colegas en física teórica en el Centro de Ciencia del Láser de Electrones Libres en Alemania. El modelado reveló que bajo intensidades más bajas, tanto el átomo por sí mismo como el átomo dentro de la molécula absorben solo unos pocos fotones a la vez. En el LCLS, la molécula absorbió hasta 20 fotones, mucho más que un átomo. Eso sobrecargó el sistema.

Descubrir que los rayos X pueden afectar fuertemente a los átomos además del impacto directo de los rayos X mostró que los científicos tienen que echar un segundo vistazo a sus imágenes. En el futuro, el equipo predice que podrán trazar los efectos de los rayos X en una molécula en particular. Así como los anteojos para leer ajustan la vista de una persona con hipermetropía, los científicos podrán explicar mejor la influencia de la radiación en sus resultados. Ese conocimiento les ayudará a ver una imagen más clara que nunca.