(Phys.org) —Los científicos de SLAC han hecho explotar "buckyballs" (moléculas de carbono con forma de pelota de fútbol) con un láser de rayos X para comprender cómo se separan. Los resultados, ellos dicen, Ayudará a los estudios biológicos al mejorar el análisis de imágenes de rayos X de virus diminutos, proteínas individuales y otras biomoléculas importantes.

El experimento se llevó a cabo en el láser de rayos X Linac Coherent Light Source (LCLS) de SLAC, una instalación para usuarios de la Oficina de Ciencias del DOE, y los resultados aparecen en la edición del 27 de junio de Comunicaciones de la naturaleza .

"Es una especie de Catch-22:necesita que el enfoque del láser de rayos X sea extremadamente intenso y brillante para obtener una buena imagen, "dice Nora Berrah, físico experimental de la Universidad de Connecticut. "Pero los rayos X también provocan daños y movimientos inesperadamente rápidos y sustanciales en los átomos, resultando en una imagen borrosa ". Berrah dirigió la investigación con Robin Santra, un teórico del Centro de Ciencia Láser de Electrones Libres en el laboratorio DESY de Alemania.

Debido a que las buckybolas están compuestas completamente de carbono, la columna vertebral de toda la vida en la Tierra, son un buen sustituto de las moléculas biológicas. muchos de los cuales también tienen fuertes enlaces atómicos. Tienen su nombre formal "buckminsterfullereno, "por su parecido con las cúpulas geodésicas inventadas por R. Buckminster Fuller.

En 20 femtosegundos, o cuadrillonésimas de segundo, después de ser golpeado por rayos X LCLS, los átomos en las buckyballs se habían separado y viajado una distancia aproximadamente 10 veces más larga que sus propios diámetros, informaron los investigadores.

"Los rayos X brillantes eliminan una gran cantidad de electrones de la molécula, sus átomos se cargan cada vez más positivamente, y la repulsión eléctrica finalmente deja que la molécula explote, "Dijo Berrah.

Así como los objetos que se mueven rápidamente pueden desenfocar fotografías convencionales, las altas velocidades de los átomos y los electrones que flotan libremente en una molécula en explosión pueden oscurecer las imágenes de rayos X, por lo que la mejor manera de observar una molécula en su estado intacto es usar la más corta, pulsos más brillantes disponibles en LCLS para tomar imágenes antes de que ocurra cualquier daño.

Además, Modelar los detalles del daño puede ayudar a los investigadores a encontrar el mejor momento y técnicas para capturar imágenes precisas que mapeen la estructura tridimensional y otras propiedades de las muestras.

En LCLS, Los investigadores utilizaron un horno especializado para crear un haz de gas delgado de buckybolas que pasaba al camino de los pulsos de rayos X del LCLS. Variaron la energía y la longitud de los pulsos LCLS y utilizaron un espectrómetro especializado, desarrollado en Suecia, para medir los fragmentos cargados de las moléculas en las explosiones impulsadas por rayos X y sus consecuencias.

De media, alrededor de 180 partículas de luz, llamados fotones, entró en cada buckyball golpeado por un pulso LCLS, y en algunos casos quitaron todos los electrones de los átomos de carbono mientras soplan la molécula.

Luego, los bits de buckyball altamente cargados, conocidos como iones, formaron diminutos plasmas y comenzaron a atraer electrones que flotaban libremente hacia ellos, un proceso conocido como "ionización secundaria".

Sin experimentos, desarrollar modelos que simulen y predigan el comportamiento de grandes moléculas complejas es un desafío incluso con computadoras potentes, Berrah señaló. El experimento en LCLS fue clave para ayudar a construir y validar un nuevo modelo teórico para explicar cómo se comportan las buckybolas bajo una intensidad extrema de rayos X.

"¿Qué es más importante? De hecho, son los efectos secundarios de ionización que fueron explicados por el modelo, que validamos, ", Explicó Berrah." Estos efectos fueron más fuertes y duraron más de lo esperado ".

Los científicos compararon los restos de la explosión molecular con una simulación desarrollada por el científico de DESY Zoltan Jurek de CFEL. "Estas herramientas de simulación se desarrollaron originalmente para cosas como líquidos y polímeros que están en o cerca del equilibrio, no por las altas energías y las fuerzas fuertes que vemos aquí, ", explica Jurek." Nadie sabía si esto realmente funcionaría ".

Berrah dijo:"Necesitábamos los datos experimentales para construir y desarrollar el modelo. Al mismo tiempo, este poderoso modelo nos permitió interpretar los datos. Este es un hito importante para la investigación de individuos, biomoléculas complejas como proteínas con láseres como LCLS ".