En serie filmer visar hur ökande gasflöden som formar en ström av vätska påverkar bildandet av flytande ark och deras tvålbubblliknande glans. Kredit:SLAC National Accelerator Laboratory
Vatten är en viktig ingrediens för livet som vi känner det, som utgör mer än hälften av den vuxna människokroppen och upp till 90 procent av några andra levande saker. Men forskare som försöker undersöka små biologiska prover med vissa våglängder av ljus har inte kunnat observera dem i deras naturliga, vattniga miljöer eftersom vattnet absorberar för mycket av ljuset.
Nu finns det en väg runt det problemet:Ett team som leds av forskare vid Department of Energy:s SLAC National Accelerator Laboratory förvandlade små vätskestrålar som bär prover till en röntgenstråles väg till tunna, fritt flytande ark, 100 gånger tunnare än något som producerats tidigare. De är så tunna att röntgenstrålar passerar dem obehindrat, så bilder av proverna de gör blir tydliga.
Den nya metoden öppnar nya fönster om kritiska processer inom kemi, fysik och biologi, inklusive vattnets natur, sa forskarna i en rapport från 10 april Naturkommunikation .
Metoden utvecklades vid SLAC:s röntgenfri elektronlaser, Linac Coherent Light Source (LCLS), men de sa att det också kan fungera i experiment med synkrotronljuskällor, bordsskivlasrar och elektronstrålar.
"Detta öppnar möjligheter på många områden, "sa SLAC -personalforskaren Jake Koralek, som ledde forskningen med Daniel DePonte, ledare för LCLS provmiljöavdelning.
"Tills nu, vi har inte kunnat undersöka prover suspenderade i vatten med två typer av ljus - infrarött och 'mjukt', lägre energi röntgenstrålar-som är viktiga för att göra bilder och använda spektroskopi för att studera grundläggande processer i fysik, kemi och biologi, inklusive vattenets fysik, "Sa Koralek.
"Det nya munstycket vi utvecklade, som kan skapa flytande ark med bara 100 vattenmolekyler tjocka som kvarstår i dagar i vakuum, löser det problemet. Arken kan till och med användas för att avbilda prover med elektronstrålar som löser ännu mindre detaljer. "
Forma vätska med gas
Munstycket är ett litet glasflis med tre mikroskopiska kanaler. En vätskeström flyter genom mittkanalen, formas av gasflöden som kommer in från kanalerna på vardera sidan. Detta speciella munstycke gjordes med fotolitografi, en teknik som används för att tillverka datorchips, men det kan också tillverkas med 3D-utskrift, forskarna noterade.
Dessa bilder visar bildandet av små vätskeformar formade av gasstrålar från ett munstycke som utvecklats vid SLAC. Topp:När gasflödet ökar, vätskebladen blir större. Botten:Munstycket producerar en serie flytande ark; den som är närmast munstycket är den bredaste och tunnaste. Varje ark är vinkelrätt mot det föregående, så vi ser det andra och fjärde arket från sidan. Kredit:SLAC National Accelerator Laboratory
När forskarna ökar gasflödets hastighet, vätskeflödet sprider sig till en serie ark vars bredd och tjocklek exakt kan kontrolleras. Arket närmast munstycket är det bredaste och tunnaste; ju längre de kommer från munstycket, de smalare och tjockare arken blir tills de slutligen smälter samman till en cylindrisk ström.
Lakan skimrar som tvålbubblor i olika färger, resultatet av ljus som reflekterar både på framsidan och baksidan av arket. Och precis som konturlinjerna på en topografisk karta markerar skillnader i höjd, nyansen och avståndet mellan ett ark ständigt föränderliga färgband indikerar hur tjockt det är och hur mycket tjockleken ändras från en punkt till en annan.
"Det är en mycket flexibel och pålitlig design för att skapa både ultratunna och något tjockare vätskeformiga ark, vilket kan vara önskvärt för vissa applikationer, säger Linda Young, en framstående kollega vid DOE:s Argonne National Laboratory och professor vid University of Chicago som inte var inblandad i studien.
Hon sa att hon kommer att använda munstycket för att göra lite tjockare vattenskivor för en LCLS -studie av hur vattenmolekyler beter sig efter att en av deras elektroner har rivits bort. Dessa joniserade vattenmolekyler kvarstår bara några hundra femtosekunder, eller miljoner miljarder sekunder, och "röntgenstrålarna ger ett helt nytt och rent sätt att övervaka deras elektroniska svar i sin naturliga miljö, så det är därför vi är glada över det, "Sa Young.
Ett nytt sätt att studera extrema former av vatten
Vätskeskikten har redan använts i experiment som undersöker vattnets egenskaper i extrema miljöer som på gigantiska planeter, sa medförfattaren Siegfried Glenzer, en SLAC -professor och chef för laboratoriets High Energy Density Science Division.
Dessa experiment utfördes med FLASH-frielektronlasern vid Tysklands Deutsches Elektronen-Synchrotron (DESY). Forskare använde röntgenpulser för att värma vätskearken till tusentals grader för att simulera extremt varma, tät form av vatten som finns på gigantiska planeter som Jupiter. Därefter mätte de reflektiviteten och konduktiviteten hos det heta vattnet med optiska laserpulser direkt innan vattnet förångades. Dessa mätningar kunde endast göras på ett plant vattenlag.
"Det finns många mysterier i de stora planeterna och de är viktiga för att förstå utvecklingen av vårt planetsystem såväl som andra, "Glenzer sa." Detta är ett vackert verktyg för att studera själva vattnet, och i framtiden kommer vi också att studera andra material som vi kan blanda in i det. "
Teamet mätte arkens tjocklek med en stråle av infrarött ljus vid Advanced Light Source vid DOE:s Lawrence Berkeley National Laboratory, och visade också att arken kunde användas för infraröd spektroskopi, där ljus som absorberas av ett material avslöjar dess kemiska sammansättning.
