Usando una combinación de datos experimentales y computacionales, Los investigadores descubren caminos para optimizar los pulsos de rayos X de alta intensidad.

Los científicos han buscado durante mucho tiempo la capacidad de ver la estructura de un solo, Molécula de forma libre a resolución atómica, lo que muchos llaman el "santo grial" de la imagen. Un método potencial implica apuntar a un objetivo extremadamente corto, Pulsos de láser de rayos X de electrones libres (XFEL) de alta intensidad en un material de muestra. Pero esta técnica de imagen ultrarrápida también destruye su objetivo, así que el tiempo es esencial.

Los investigadores del Laboratorio Nacional Argonne del Departamento de Energía de EE. UU. (DOE) están avanzando en el esfuerzo con una combinación de experimentos y simulaciones por computadora, buscando comprender cómo interactúan los pulsos XFEL con sus objetivos. Recientemente, un equipo dirigido por el grupo de Física Óptica Molecular Atómica de Argonne en la división de Ingeniería y Ciencias Químicas identificó un parámetro importante y a menudo ignorado que puede influir en los resultados del experimento:el tiempo. Su papel "El papel de las resonancias transitorias para la obtención de imágenes ultrarrápidas de nanoclusores de sacarosa individuales, "fue publicado recientemente en la revista Comunicaciones de la naturaleza .

La capacidad de examinar estructuras tridimensionales a escala atómica nos ayuda a comprender mejor los virus, por ejemplo, y administrar medicamentos al cuerpo de manera más eficaz. Hoy dia, este tipo de análisis requiere poner el material a estudiar en forma cristalina. Las partículas biológicas se fijan en esta forma no nativa de modo que cuando una radiografía las golpea, el rayo se dispersa, creando un patrón de difracción que se puede utilizar para comprender la estructura molecular.

Pero muchos tipos de sistemas biológicos no cristalizan muy bien, y los cristales pueden ser demasiado pequeños para generar un buen patrón de difracción. O la cristalización podría cambiar la estructura, impidiendo la capacidad de observar una partícula en su estado natural. Para crear un patrón de dispersión sin cristalizar el material se requiere un haz superintenso como un XFEL, brilló en ráfagas asombrosamente rápidas.

"Para este tipo de experimento, necesitas pulsos muy intensos, que puede destruir la muestra muy rápidamente, "dijo Phay Ho, un físico de Argonne que fue coautor del artículo. "Con este enfoque, es necesario utilizar pulsos muy cortos para poder recopilar todas las señales de dispersión antes de que se destruya la muestra ".

Esta carrera contra el tiempo se mide en femtosegundos, uno de los cuales equivale a una millonésima de mil millonésima de segundo. Para estudiar cómo diferentes parámetros pueden afectar el resultado de un experimento XFEL, el equipo multidisciplinario de investigadores estudió nanoclusters individuales de sacarosa utilizando la fuente de luz coherente Linac (LCLS), un XFEL en el SLAC National Accelerator Laboratory de la Universidad de Stanford.

"Los cristales que observa en una fuente de luz basada en un anillo de almacenamiento, como la Fuente de fotones avanzada (APS) de Argonne, a diferencia de un XFEL, suelen tener un tamaño de 10 micrones aproximadamente, "dijo Linda Young, miembro distinguido de Argonne y coautor del artículo. "Las estructuras que estamos analizando en este estudio son al menos 200 veces más pequeñas:nanómetros de tamaño".

Luego, los investigadores compararon los datos experimentales con cálculos realizados en la supercomputadora Mira en Argonne Leadership Computing Facility (ALCF). Esto implicó un gran conjunto de simulaciones moleculares que rastrearon 42 millones de partículas que interactuaban con un pulso XFEL, un trabajo para una supercomputadora.

"Cuando tienes una máquina como Mira, puede ejecutar una gran cantidad de simulaciones, puedes hacerlas todas al mismo tiempo, y puede ejecutarlos en las escalas de tiempo que necesitábamos para este estudio en particular, "dijo Christopher Knight, un científico computacional con el ALCF y la división de Ciencias Computacionales de Argonne, y coautor del artículo.

El estudio encontró que cuando se trata de legumbres XFEL sobre sacarosa, más corto es mejor. Los científicos que buscan ampliar los resultados de las imágenes podrían usar una longitud de pulso de 200 femtosegundos. Pero resulta que 200 millonésimas de mil millonésimas de segundo podría ser demasiado pausado.

"Si usa pulsos tanto tiempo, de hecho, puedes degradar tu señal sustancialmente, "Ho dijo." Para hacer este tipo de imágenes, el pulso debe durar sólo unos pocos femtosegundos. Es importante observar no solo la cantidad de fotones, sino el número de fotones por unidad de tiempo ".

El modelado por computadora ayudará a los investigadores a optimizar experimentos futuros, centrándose en los parámetros que producirán los mejores resultados.

"No es fácil obtener el tiempo del rayo para hacer estos experimentos, "Dijo Ho." Estos datos serán muy útiles para determinar las condiciones óptimas de pulso para probar a continuación ".