Røntgenforskere skaber små, super-tynde plader med rindende vand, der skinner som sæbebobler

Vand er en vigtig ingrediens for livet, som vi kender det, udgør mere end halvdelen af ​​den voksne menneskekrop og op til 90 procent af nogle andre levende ting. Men forskere, der forsøger at undersøge små biologiske prøver med bestemte lysbølgelængder, har ikke været i stand til at observere dem i deres naturlige, vandige miljøer, fordi vandet absorberer for meget af lyset.

Nu er der en vej udenom det problem:Et team ledet af forskere ved Department of Energy's SLAC National Accelerator Laboratory forvandlede små flydende stråler, der bærer prøver ind i en røntgenstråles vej til tynde, fritflydende ark, 100 gange tyndere end nogen tidligere produceret. De er så tynde, at røntgenstråler passerer uhindret gennem dem, så billeder af prøverne, de udfører, bliver tydelige.

Den nye metode åbner nye vinduer om kritiske processer inden for kemi, fysik og biologi, herunder selve vandets natur, sagde forskerne i en rapport fra 10. april i Naturkommunikation .

Metoden blev udviklet ved SLACs røntgenfri elektron-laser, Linac kohærent lyskilde (LCLS), men de sagde, at det også kan fungere i eksperimenter med synkrotron lyskilder, bordlasere og elektronstråler.

"Dette åbner muligheder på mange områder, "sagde SLAC -videnskabsmand Jake Koralek, der ledede forskningen med Daniel DePonte, leder af LCLS Prøve Miljøafdeling.

"Indtil nu, vi har ikke været i stand til at undersøge prøver suspenderet i vand med to typer lys - infrarød og 'blød', lavere energi røntgenstråler-der er vigtige for at lave billeder og bruge spektroskopi til at studere grundlæggende processer i fysik, kemi og biologi, herunder vandets fysik, "Sagde Koralek.

"Den nye dyse, vi udviklede, som kan skabe flydende ark med kun 100 vandmolekyler tykke, der vedvarer i dagevis i et vakuum, løser det problem. Arkene kan endda bruges til billedprøver med elektronstråler, der løser endnu mindre detaljer. "

Forme væske med gas

Dysen er en lille glasflis med tre mikroskopiske kanaler. En strøm af væske strømmer gennem den midterste kanal, formet af gasstrømme, der kommer ind fra kanalerne på hver side. Denne særlige dyse blev lavet med fotolitografi, en teknik, der bruges til fremstilling af computerchips, men det kan også laves med 3D-udskrivning, bemærkede forskerne.

Når forskerne skruer op for gasstrømmen, væskestrømmen spredes til en række ark, hvis bredde og tykkelse kan kontrolleres præcist. Arket nærmest dysen er det bredeste og tyndeste; jo længere de kommer fra dysen, jo smallere og tykkere bliver pladerne, indtil de til sidst smelter sammen til en cylindrisk strøm.

Arkene skinner som sæbebobler i forskellige farver, resultatet af lys, der reflekterer både arkets for- og bagside. Og ligesom konturlinjerne på et topografisk kort markerer forskelle i højde, farven og mellemrummet på et arks stadigt skiftende farvebånd angiver, hvor tykt det er, og hvor meget tykkelsen ændrer sig fra et punkt til et andet.

"Det er et meget fleksibelt og pålideligt design til at skabe både ultratynde og lidt tykkere flydende ark, hvilket kan være ønskeligt for nogle applikationer "sagde Linda Young, en fornem kollega ved DOE's Argonne National Laboratory og professor ved University of Chicago, som ikke var involveret i undersøgelsen.

Hun sagde, at hun vil bruge dysen til at lave lidt tykkere lag vand til en LCLS -undersøgelse af, hvordan vandmolekyler opfører sig, efter at en af ​​deres elektroner er blevet revet væk. Disse ioniserede vandmolekyler vedvarer kun i et par hundrede femtosekunder, eller millioner af en milliarddel af et sekund, og "røntgenstrålerne giver en helt ny og ren måde at overvåge deres elektroniske respons på i deres naturlige miljø, så derfor er vi begejstrede for det, "Sagde Young.

En ny måde at studere ekstreme former for vand på

Væskearkene er allerede blevet brugt i eksperimenter, der undersøger vandets egenskaber i ekstreme miljøer som dem på kæmpe planeter, sagde medforfatter Siegfried Glenzer, en SLAC -professor og leder af laboratoriets afdeling for high energy densitet videnskab.

Disse eksperimenter blev udført med FLASH-frielektronlaseren på Tysklands Deutsches Elektronen-Synchrotron (DESY). Forskere brugte røntgenpulser til at opvarme de flydende ark til tusinder af grader for at simulere ekstremt varme, tæt vandform til stede på gigantiske planeter som Jupiter. Derefter målte de refleksivitet og ledningsevne af det super-varme vand med optiske laserpulser i det øjeblik, før vandet fordampede. Disse målinger kunne kun foretages på et fladt vandark.

"Der er mange mysterier i de store planeter, og de er vigtige for at forstå udviklingen af ​​vores planetsystem såvel som andre, "Glenzer sagde." Dette er et smukt værktøj til selv at studere vand, og i fremtiden vil vi også studere andre materialer, som vi kan blande ind i det. "

Teamet målte tykkelsen af ​​arkene med en stråle af infrarødt lys ved den avancerede lyskilde på DOE's Lawrence Berkeley National Laboratory, og demonstrerede også, at arkene kunne bruges til infrarød spektroskopi, hvor lys absorberet af et materiale afslører dets kemiske sammensætning.