Røntgenlaser giver buckyballs et stort spark

(Phys.org)-Videnskabsfolk på SLAC har sprængt "buckyballs"-fodboldformede kulstofmolekyler-med en røntgenlaser for at forstå, hvordan de flyver fra hinanden. Resultaterne, de siger, vil hjælpe biologiske undersøgelser ved at forbedre analysen af ​​røntgenbilleder af små vira, individuelle proteiner og andre vigtige biomolekyler.

Forsøget blev udført på SLACs Linac Coherent Light Source (LCLS) røntgenlaser, en DOE Office of Science brugerfacilitet, og resultaterne fremgår af 27. juni -udgaven af Naturkommunikation .

"Det er en slags Catch-22:Du har brug for, at røntgenlaserfokus er ekstremt intens og lys for at få et godt billede, "siger Nora Berrah, en eksperimentel fysiker ved University of Connecticut. "Men røntgenstrålerne udløser også uventet hurtig og betydelig skade og bevægelse i atomerne, resulterer i et sløret billede. "Berrah ledede forskningen sammen med Robin Santra, en teoretiker fra Center for Free-Electron Laser Science ved Tysklands DESY lab.

Fordi buckyballs udelukkende består af kulstof-rygraden i alt liv på jorden-er de et godt stand-in for biologiske molekyler, hvoraf mange også har stærke atombindinger. De fik deres formelle navn, "buckminsterfullerene, "for deres lighed med de geodesiske kupler opfundet af R. Buckminster Fuller.

Inden for 20 femtosekunder, eller kvadrilliondeler af et sekund, efter at være blevet ramt af LCLS-røntgenstråler, atomer i buckyballs var fløjet fra hinanden og tilbagelagt en afstand cirka 10 gange længere end deres egne diametre, rapporterede forskerne.

"De lyse røntgenstråler slår et stort antal elektroner ud af molekylet, dets atomer bliver mere og mere positivt ladede, og den elektriske frastødning lader endelig molekylet eksplodere, "Sagde Berrah.

Ligesom genstande i hurtig bevægelse kan sløre konventionelle fotografier, de høje hastigheder for atomer og frit svævende elektroner i et eksploderende molekyle kan skjule røntgenbilleder, så den bedste måde at observere et molekyle i sin intakte tilstand er at bruge den korteste, lyseste pulser til rådighed på LCLS for at tage billeder, før der opstår skader.

Ud over, modellering af detaljerne om skaden kan hjælpe forskere med at finde den bedste timing og teknikker til at tage præcise billeder, der kortlægger 3D-strukturen og andre egenskaber ved prøverne.

På LCLS, forskere brugte en specialiseret ovn til at oprette en tynd gasstråle af buckyballs, der gik ind på stien til LCLS røntgenpulser. De varierede energien og længden af ​​LCLS -impulserne og brugte et specialiseret spektrometer, udviklet i Sverige, at måle ladede fragmenter af molekylerne i de røntgen-drevne eksplosioner og deres efterspil.

Gennemsnitlig, omkring 180 lyspartikler, kaldet fotoner, kom ind i hver buckyball ramt af en LCLS -puls, og i nogle tilfælde fjernede de alle elektronerne fra carbonatomerne, mens de sprængte molekylet fra hinanden.

Derefter de meget ladede buckyball -bits, kendt som ioner, dannede små plasmaer og begyndte at trække frit flydende elektroner tilbage mod dem-en proces kendt som "sekundær ionisering".

Uden forsøg, udvikle modeller, der simulerer og forudsiger adfærd hos store, komplekse molekyler er udfordrende selv med kraftfulde computere, Berrah bemærkede. Eksperimentet på LCLS var nøglen til at hjælpe med at konstruere og validere en ny teoretisk model for at forklare, hvordan buckyballs opfører sig under ekstrem røntgenintensitet.

"Hvad er vigtigst, faktisk, er de sekundære ioniseringseffekter, der blev forklaret af modellen, som vi validerede, "Berrah forklarede." Disse effekter var stærkere og varede længere end forventet. "

Forskerne sammenlignede resterne af molekylær eksplosion med en simulering udviklet af DESY -videnskabsmand Zoltan Jurek fra CFEL. "Sådanne simuleringsværktøjer blev oprindeligt udviklet til ting som væsker og polymerer, der er ved eller nær ligevægt, ikke for de høje energier og stærke kræfter, vi ser her, "forklarer Jurek." Ingen vidste, om dette virkelig ville fungere. "

Berrah sagde, "Vi havde brug for de eksperimentelle data for at bygge og udvikle modellen. Samtidig har denne kraftfulde model gav os mulighed for at fortolke dataene. Dette er en vigtig milepæl for undersøgelsen af ​​individuelle, komplekse biomolekyler som proteiner med lasere som LCLS. "