I en første, forskere bruger ultrahurtigt elektronkamera til at lære om molekyler i væskeprøver

Højhastigheds "elektronkameraer" kan detektere små molekylære bevægelser i et materiale ved at sprede en kraftig stråle af elektroner fra en prøve. Indtil for nylig, forskere havde kun brugt denne teknik til at studere gasser og faste stoffer. Men nogle af de vigtigste biologiske og kemiske processer, især omdannelsen af ​​lys til energi, ske i molekyler i en opløsning.

Nu, forskere har anvendt denne teknik, ultrahurtig elektrondiffraktion, til molekyler i væskeprøver. De udviklede en metode til at skabe 100 nanometer tykke væskestråler - omkring 1, 000 gange tyndere end bredden af ​​et menneskehår - hvilket gør det muligt for dem at få klare diffraktionsmønstre fra elektroner. I fremtiden, denne metode kunne give dem mulighed for at udforske lysdrevne processer såsom vision, katalyse, fotosyntese og DNA-skader forårsaget af UV-stråler.

Holdet, som omfattede forskere fra Department of Energy's SLAC National Accelerator Laboratory, Stanford University og University of Nebraska-Lincoln (UNL), offentliggjorde deres resultater i Structural Dynamics i marts.

"Denne forskning er et kæmpe gennembrud inden for ultrahurtig elektrondiffraktion, " siger Xijie Wang, direktør for MeV-UED instrumentet, der var medforfatter til avisen. "At kunne studere biologiske og kemiske systemer i deres naturlige miljø er et værdifuldt værktøj, der åbner et nyt vindue for fremtiden."

Stop-motion film

Væskestråler har længe været brugt til at levere prøver ved røntgenlasere såsom SLAC's Linac Coherent Light Source (LCLS), at give værdifuld information om ultrahurtige processer, som de finder sted i deres naturlige miljø. SLAC's ultrahurtige "elektronkamera, "MeV-UED, bruger højenergielektronstråler til at komplementere rækken af ​​strukturel information indsamlet på LCLS.

Her, videnskabsmænd begynder med at excitere en prøve med laserlys, sætter gang i de processer, de håber at studere. Derefter sprænger de prøven med en kort puls af elektroner med høj energi, målt i millioner af elektronvolt (MeV), at se indenfor, generere snapshots af dens skiftende atomstruktur, der kan spændes sammen til en stop-motion film af de lysinducerede strukturelle ændringer i prøven.

Kigger ind i kalejdoskopet

De små bølgelængder af disse højenergielektroner gør det muligt for forskere at tage snapshots i høj opløsning, giver indsigt i processer som protonoverførsel og brintbindingsbrud, der er svære at studere med andre metoder. Men at anvende denne teknik på flydende prøver har vist sig at være udfordrende.

"Da elektroner ikke trænger så let ind i prøver som røntgenstråler, " siger Kathryn Ledbetter, en kandidatstuderende ved Stanford PULSE Institute, der var medforfatter til papiret, "at anvende denne teknik på væsker har været en langvarig udfordring på området."

Hvis prøven er for tyk, elektronerne kan sætte sig fast og spredes flere gange, producerer en vild blanding af mønstre, som er svære at hente information fra, som at se gennem et kalejdoskop. I denne nye undersøgelse, holdet overvandt disse udfordringer ved at bruge MeV-elektroner og en gasaccelereret tynd flydende stråle. Når elektronerne bryder igennem strålen, de spreder sig kun én gang, producerer et rent mønster, der er meget nemmere at rekonstruere. Holdet designede også et kammer, der husede væskestrålen og overvågede interaktionen mellem prøven og elektronstrålen.

"Endnu et værktøj i den ultrahurtige værktøjskasse"

Dette papir sætter scenen for kommende forskning, der undersøger spørgsmål som, hvad der sker, når hydrogenbindinger brydes, eller når molekyler absorberer UV-stråling. Som et næste skridt, SLAC-forskere opgraderer MeV-UED-anlægget og udvikler en ny generation af direkte elektrondetektorer, der i høj grad vil udvide den videnskabelige rækkevidde af denne teknik.

"Vi vil gerne have, at dette er endnu et værktøj i værktøjskassen for forskere, der forsøger at lære om væsker og lysdrevne reaktioner, " siger Pedro Nunes, en postdoktor ved UNL, der ledede forskningen. "Vi ønsker at vise samfundet, at det, man engang troede var langt ude, ikke kun er muligt, men i stand til at køre jævnt nok til at se strukturelle ændringer udfolde sig i realtid."