Las "cámaras de electrones" de alta velocidad pueden detectar pequeños movimientos moleculares en un material al dispersar un poderoso haz de electrones de una muestra. Hasta hace poco, los investigadores solo habían utilizado esta técnica para estudiar gases y sólidos. Pero algunos de los procesos biológicos y químicos más importantes, en particular la conversión de luz en energía, suceden en moléculas en una solución.

Ahora, los investigadores han aplicado esta técnica, difracción de electrones ultrarrápida, a moléculas en muestras líquidas. Desarrollaron un método para crear chorros de líquido de 100 nanómetros de espesor, aproximadamente 1, 000 veces más delgado que el ancho de un cabello humano, lo que les permite obtener patrones de difracción claros de los electrones. En el futuro, este método podría permitirles explorar procesos impulsados ​​por la luz como la visión, catálisis, la fotosíntesis y el daño del ADN causado por los rayos ultravioleta.

El equipo, que incluyó a investigadores del Laboratorio Nacional Acelerador SLAC del Departamento de Energía, Universidad de Stanford y la Universidad de Nebraska-Lincoln (UNL), publicaron sus resultados en Structural Dynamics en marzo.

"Esta investigación es un gran avance en el campo de la difracción de electrones ultrarrápida, "dice Xijie Wang, director del instrumento MeV-UED, quien fue coautor del artículo. "Poder estudiar sistemas biológicos y químicos en su entorno natural es una herramienta valiosa que abre una nueva ventana para el futuro".

Películas de animación

Los chorros de líquido se han utilizado durante mucho tiempo para entregar muestras en láseres de rayos X, como la fuente de luz coherente Linac (LCLS) de SLAC, proporcionando información valiosa sobre los procesos ultrarrápidos que ocurren en su entorno natural. La cámara de electrones ultrarrápida de SLAC, "MeV-UED, utiliza haces de electrones de alta energía para complementar la gama de información estructural recopilada en LCLS.

Aquí, Los científicos comienzan excitando una muestra con luz láser, dando inicio a los procesos que esperan estudiar. A continuación, explotan la muestra con un pulso corto de electrones con alta energía, medido en millones de electronvoltios (MeV), mirar adentro, generando instantáneas de su estructura atómica cambiante que se pueden unir en una película de stop-motion de los cambios estructurales inducidos por la luz en la muestra.

Mirando al caleidoscopio

Las diminutas longitudes de onda de estos electrones de alta energía permiten a los científicos tomar instantáneas de alta resolución, ofreciendo información sobre procesos como la transferencia de protones y la ruptura de enlaces de hidrógeno que son difíciles de estudiar con otros métodos. Pero aplicar esta técnica a muestras líquidas ha demostrado ser un desafío.

"Dado que los electrones no penetran en las muestras tan fácilmente como los rayos X, "dice Kathryn Ledbetter, un estudiante de posgrado en el Stanford PULSE Institute que fue coautor del artículo, "La aplicación de esta técnica a líquidos ha sido un desafío de larga data en el campo".

Si la muestra es demasiado espesa, los electrones pueden atascarse y dispersarse varias veces, produciendo una mezcla salvaje de patrones de los que es difícil obtener información, como mirar a través de un caleidoscopio. En este nuevo estudio, El equipo superó esos desafíos mediante el uso de electrones MeV y un chorro de lámina de líquido delgado acelerado por gas. A medida que los electrones atraviesan el chorro, se dispersan solo una vez, produciendo un patrón limpio que es mucho más fácil de reconstruir. El equipo también diseñó una cámara que albergaba el chorro de líquido y monitoreaba la interacción entre la muestra y el haz de electrones.

"Otra herramienta en la caja de herramientas ultrarrápida"

Este artículo sienta las bases para las próximas investigaciones que investigan cuestiones como qué sucede cuando se rompen los enlaces de hidrógeno o cuando las moléculas absorben la radiación ultravioleta. Como siguiente paso, Los investigadores de SLAC están actualizando la instalación MeV-UED y desarrollando una nueva generación de detectores de electrones directos que ampliarán enormemente el alcance científico de esta técnica.

"Nos gustaría que esta fuera otra herramienta en la caja de herramientas de los investigadores que intentan aprender sobre los líquidos y las reacciones impulsadas por la luz, "dice Pedro Nunes, investigador postdoctoral de la UNL que dirigió la investigación. "Queremos mostrarle a la comunidad que lo que antes se creía inverosímil no solo es posible, pero capaz de funcionar con la suficiente fluidez como para observar cómo se desarrollan los cambios estructurales en tiempo real ".