Los láseres de rayos X hacen que los átomos actúen como "agujeros negros" en las moléculas


imágenes falsas Un nuevo estudio ha encontrado que cuando se inyecta el rayo láser de rayos X más fuerte del mundo, los átomos grandes dentro de algunas moléculas hacen algo muy extraño: se comportan un poco como minúsculos "agujeros negros", aspirando electrones de las moléculas que los rodean. Pero e

imágenes falsas

Un nuevo estudio ha encontrado que cuando se inyecta el rayo láser de rayos X más fuerte del mundo, los átomos grandes dentro de algunas moléculas hacen algo muy extraño: se comportan un poco como minúsculos "agujeros negros", aspirando electrones de las moléculas que los rodean. Pero en lugar de simplemente enseñarnos más sobre el cosmos, estos hallazgos pueden ayudar con algo mucho más cercano a casa. Los investigadores creen que esta táctica podría permitir a los científicos analizar mejor los virus, las bacterias y otras estructuras pequeñas y complejas aquí en la Tierra.

Los rayos X se han utilizado durante mucho tiempo, no solo para ayudar a los médicos a mirar a las personas, sino también para ayudar a los científicos a investigar las estructuras de las moléculas y otros objetos microscópicos. Cuanto más potentes sean los haces de rayos X, mayor será la resolución de las imágenes que pueden obtener los investigadores.

En el nuevo estudio, científicos de la Universidad Estatal de Kansas (KSU) y sus colegas experimentaron con el láser de rayos X más poderoso del mundo, la Fuente de Luz Coherente de Linac (LCLS) en el Laboratorio Nacional de Aceleradores TLAC, una máquina que puede generar pulsos que suministran casi 100 quintillones de vatios por centímetro cuadrado. Eso es aproximadamente 100 veces más intenso que si toda la luz solar que golpeara la superficie de la Tierra se enfocara en una miniatura, dice el coautor del estudio Sébastien Boutet, un científico del personal de LCLS. Los hallazgos fueron publicados esta semana en la revista Nature .

Los investigadores dispararon pulsos de láser de rayos X, cada uno de los cuales duró aproximadamente 30 femtosegundos (quadrillionths de un segundo), al lado de un haz estrecho de moléculas que fluyen a través de una cámara de vacío. En promedio, "cada pulso de rayos X 've' solo una molécula, y la destruye en pedazos", dice el coautor del estudio Artem Rudenko, físico del Grupo de Física Atómica, Molecular y Óptica de KSU. "Luego repetimos este experimento unos cientos de miles de veces". Estos son los pulsos de rayos X más intensos que se hayan usado para examinar tales moléculas, dicen los investigadores.

Los científicos analizaron dos tipos de moléculas que se encuentran en los procesos biológicos: el yodometano y el yodobenceno, que consisten en carbono, hidrógeno y yodo. Los átomos de yodo son mucho más pesados ​​que los de carbono e hidrógeno, y poseen más electrones; un átomo de yodo tiene 53, en comparación con los seis de carbono y los de hidrógeno. Tales átomos grandes a menudo se encuentran en moléculas biológicas vitales que los científicos desean observar, por ejemplo, los humanos usan yodo para sintetizar hormonas tiroideas, por lo que los investigadores quieren saber más sobre cómo se comportan estos átomos cuando se escanean. Hasta ahora, nadie había investigado qué impacto tendrían tan intensos pulsos de rayos X en las moléculas con átomos tan pesados, dice Rudenko. Investigaciones anteriores utilizaron haces más débiles o se enfocaron en moléculas más simples compuestas de muchos menos átomos.

En el nuevo estudio, los espejos enfocaron las radiografías en puntos de aproximadamente 200 nanómetros o mil millonésimas de metro de ancho, dice Rudenko. El carbono y el hidrógeno son esencialmente transparentes a las frecuencias de rayos X en los pulsos del láser, por lo que el yodo absorbió la mayor parte de los blastos. Los científicos registraron datos de las moléculas en el instante antes de que los pulsos del láser los destruyeran.

Sobre la base de investigaciones anteriores, los científicos esperaban que los pulsos de láser eliminaran primero los electrones más internos de los átomos de yodo. Habían anticipado que los electrones de las partes externas de los átomos se formarían en cascada para llenar estas vacantes, solo para ser expulsados ​​de los átomos después de absorber los rayos X subsiguientes, dejando a los átomos con solo algunos de sus elementos más apretados. electrones unidos.

Pero el flujo de electrones no se detuvo allí. Cada átomo de yodo, que tiene fuertes cargas positivas después de perder la mayoría de sus electrones, continuó extrayendo electrones cargados negativamente de los átomos de carbono e hidrógeno vecinos. "El átomo de yodo engulle todos los electrones que puede obtener de sus vecinos como un agujero negro engulle la materia a su alrededor", dice Rudenko. "Sin embargo, a diferencia de un agujero negro, deja salir los electrones de nuevo cuando se absorbe el siguiente fotón".

En lugar de perder 47 electrones cuando se descargaban, como lo harían los átomos solitarios de yodo, cada uno de los que estaban en las moléculas de yodometano perdió 54, incluidos los electrones que había robado a sus vecinos. En la molécula de yodobenceno más grande, cada átomo de yodo perdió aún más electrones, exactamente cuántos siguen siendo inciertos. "No sabemos dónde se detiene nuestra reacción en cadena", dice Rudenko.

Esto fue mucho más daño a las moléculas de lo esperado, basado en experimentos anteriores con moléculas más simples o haces más débiles. Los investigadores pensaron que los electrones de partes relativamente distantes del resto de las moléculas no habrían tenido tiempo de ser arrastrados hacia los átomos de yodo en el lapso de los pulsos de rayos X de 30 femtosegundos, dice el coautor del estudio Daniel Rolles, físico en El grupo KSU. "Podríamos haberlo adivinado antes, si hubiésemos cerrado las mentes con una densidad de fotones casi infinita, y nos dimos cuenta de lo eficiente que podría ser la transferencia de carga", agrega.

La física Nora Berrah de la Universidad de Connecticut, que no participó en este estudio, señala que ella y sus colegas "observaron este efecto recientemente en una molécula grande, pero aún no publicamos nuestro trabajo. Así confirmamos que esto es un efecto general ".

Es probable que estos hallazgos ayuden a los científicos a planificar e interpretar mejor los experimentos realizados con LCLS y otros láseres de rayos X potentes, como el XFEL europeo. "Nuestros resultados demuestran que al interpretar datos de imágenes de rayos X, en particular de objetos biológicos, se debe prestar especial atención a las regiones que contienen átomos pesados, como los grupos de hierro en las proteínas", dice Rudenko, y agrega que la mayoría de los modelos actuales simulan el Los efectos del daño por radiación en las moléculas tratan a sus átomos como relativamente similares.

Las investigaciones futuras podrían explorar cómo los electrones se mueven en moléculas aún más grandes, acercándose eventualmente a las muy grandes como las proteínas. Rudenko agrega una investigación que analiza cómo las cargas eléctricas fluyen dentro de las moléculas afectadas por los rayos X y se lanzarán hacia adelante con el desarrollo de láseres de disparo más rápido. Mientras que el LCLS dispara 120 disparos por segundo, el XFEL europeo disparará 27, 000 veces por segundo cuando comience a operar en septiembre. "Y el verdadero avance", dice Rudenko, "puede esperarse unos años más tarde, alrededor de 2020, cuando LCLS II, con un millón de disparos por segundo, se pondrá en línea".