Usando pulsos de láser de rayos X, la estructura de la materia se puede estudiar con una precisión sin precedentes. Sin embargo, los pulsos son tan violentos que destruyen la muestra que se está irradiando. No obstante, un equipo de físicos polaco-japoneses acaba de lograr demostrar que los átomos del cristal investigado reaccionan ante una avalancha de fotones con cierto retraso. El descubrimiento significa que mediante el uso de pulsos de láser suficientemente cortos, será posible ver una estructura de materia sin perturbaciones.

¿Es posible ver reacciones químicas de moléculas complejas en resolución subatómica? Parece que sí, pero solo con el uso de láseres de electrones libres (FEL). Los láseres de este tipo son capaces de generar pulsos de rayos X con cualidades únicas:no solo son ultracortos, medidos en femtosegundos, sino que también contienen una gran cantidad de fotones. Después de irradiar una muestra con tal pulso, se produce una imagen de difracción a partir de la cual los físicos pueden intentar reconstruir la estructura espacial de las moléculas. En este enfoque, sin embargo, se esconde un problema muy serio.

"Cuando irradiamos una muestra con muchos fotones de alta energía, sus átomos comienzan a interactuar con la radiación con tanta fuerza que el material se destruye. Entonces, ¿qué vemos en las imágenes de difracción registradas? La verdadera estructura de la muestra o más bien una imagen de su destrucción?" pregunta la Prof. Beata Ziaja-Motyka del Instituto de Física Nuclear de la Academia Polaca de Ciencias (FIP PAN) en Cracovia y el Centro de Investigación de Láser de Electrones Libres (CFEL) en DESY en Hamburgo.

El Prof. Ziaja-Motyka es miembro de un equipo internacional de físicos experimentales y teóricos dirigido por el Dr. Ichiro Inoue de las instalaciones RIKEN SPring-8 Center FEL de Japón. El grupo ha estado estudiando la interacción de los pulsos de rayos X láser con la materia durante varios años. En su último artículo, que aparece en Physical Review Letters , los científicos presentan los resultados del trabajo en procesos como estos en el caso de los nanocristales de corindón formados por átomos de oxígeno y aluminio. La parte experimental se llevó a cabo utilizando el láser de rayos X SACLA que opera en Hyogo, Japón.

"Una característica única de nuestro láser es su capacidad para producir pulsos de rayos X duros, es decir, de alta energía, que son a la vez ultracortos y de alta intensidad. En nuestra investigación con nanocristales de corindón, usamos pulsos que duran apenas seis femtosegundos. Los datos recopilados nos permitieron estimar que los átomos de cristal comienzan a reaccionar al haz de fotones con un retraso de 20 femtosegundos", dice el Dr. Inoue.

"Los resultados experimentales concuerdan excelentemente con las predicciones de nuestros modelos y simulaciones, donde también aparece un retraso similar", dice el Prof. Ziaja-Motyka, quien, junto con el Dr. Victor Tkachenko (IFJ PAN), participó en la teoría descripción y simulaciones de los fenómenos estudiados. "Creemos que la razón principal de este retraso es el hecho de que los electrones ubicados en los átomos atrapados en los nodos de la red cristalina actúan un poco como un parachoques y son los primeros en tomar el ímpetu del pulso de rayos X". agrega el Dr. Tkachenko.

La respuesta retardada de los átomos de oxígeno y aluminio en el corindón al pulso de rayos X resulta ser una consecuencia del siguiente curso de eventos. Cuando los fotones de alta energía entran en el cristal, transmiten esta energía principalmente a los electrones de los átomos incrustados en los nodos de la red cristalina. Como resultado de esta interacción, los electrones son eliminados masivamente de los átomos. Debido a la importante diferencia de masa entre los electrones liberados y los átomos ionizantes, estos últimos inicialmente no sienten el retroceso. Sin embargo, los propios átomos, hasta ahora eléctricamente inertes, adquieren una fuerte carga eléctrica y comienzan a sentir repulsión por parte de sus vecinos con carga similar. Es este proceso el que tarda unos 20 femtosegundos. En una etapa aún posterior, los iones obtienen energía adicional a través de interacciones con los electrones acelerados. El resultado final es la destrucción de la muestra.

En el pasado, los sistemas formados por átomos de diferentes elementos ya se han estudiado con láseres FEL de rayos X. Sin embargo, se utilizaron pulsos con duraciones de 15 a 20 femtosegundos para irradiarlos. Ahora se sabe que es precisamente en esa escala de tiempo que los átomos en los sistemas comienzan a responder a la irradiación de pulsos. Este hecho significa que las imágenes obtenidas hasta ahora han representado estructuras ya parcialmente perturbadas por la interacción con el rayo láser.

La concordancia de los tiempos de reacción de los átomos en el nanocristal de corindón a un pulso de rayos X, medido en el último experimento, con los predichos por las simulaciones, nos permite considerar con optimismo nuevos intentos de observar otros sistemas más complejos, especialmente los que contienen luz. elementos, que son los componentes básicos de la materia viva.

La estructura de los nanocristales simples, como el corindón, es reproducible. Las simetrías existentes facilitan la realización de observaciones, el análisis de imágenes de difracción y la simulación de reacciones de muestras a pulsos láser. Desafortunadamente, muchas estructuras interesantes carecen de simetría. El objetivo de largo alcance del trabajo del equipo polaco-japonés de físicos es, por lo tanto, desarrollar métodos y crear herramientas que permitan obtener imágenes y simular sistemas biológicamente relevantes, como conglomerados de proteínas o virus individuales.

"Actualmente, los tiempos de realización de simulaciones por computadora plantean un desafío particular. La falta de simetría en muestras de interés biológico nos obliga a modelar sistemas grandes. Los cálculos pueden demorar muchos meses. Estamos trabajando para reducirlos a horas únicas, lo que aceleraría impulsar la investigación y facilitar su aplicación práctica", señala la profesora Ziaja-Motyka. + Explora más

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