Läs dessa ord, dina ögon låter dig se varje bokstav och mellanrummen mellan dem. Men om du behöver läsglasögon, bokstäverna kan vara suddiga eller obegripliga. Forskare står inför en liknande utmaning. Att samla in rätt data beror på att ha verktyg som kan tillhandahålla korrekta, omfattande mätningar. Trots allt, forskare vill ha så tydlig syn som möjligt.

Fysikern Artem Rudenko från Kansas State University och hans kollegor funderade på hur man kan förbättra bilderna av virus och mikropartiklar som forskare får från röntgenstrålar. För att gräva i frågan, de sköt den mest kraftfulla röntgenlasern i världen-belägen vid Department of Energy (DOE) Office of Science Linac Coherent Light Source (LCLS)-med en serie atomer och molekyler.

Kan vi lita på det vi ser?

Forskare använder regelbundet röntgenljuskällor för att ta bilder och videor av biologiska och kemiska processer och föremål. Till exempel, en ny studie vid LCLS undersökte hur antibiotika och kroppsdelar som producerar proteiner interagerar.

Men som en framsynt persons ögon, dessa instrument kan påverka forskarnas uppfattning. På kortare tid än det tar ljus att resa en millimeter, röntgen utplånar provet. Men röntgenskadan skadar provet långt innan det förstörs-även medan forskare försöker fånga sina bilder.

Det betyder att de tagna bilderna är av ett skadat prov, inte originalet. Det kan snedvrida data och hur forskare tolkar det.

Forskare har gjort ganska mycket arbete med att studera effekterna av lägre energi "mjuka" röntgenstrålar. De drog slutsatsen att bilder från mjuka röntgenstrålar ger en bra återgivning av de ursprungliga strukturerna trots skadorna.

Men de flesta bildforskningar använder högre "hårda" röntgenstrålar med högre energi eftersom de ofta ger mer detaljer. Forskare hade mindre data om den skada mycket intensiv hård röntgen orsakar. De hade ingen motsvarighet till ett ögondiagram för att uppskatta omfattningen av problemet eller vad som kan behöva justeras. Rudenko och hans kollegor ville ändra det.

Den enda platsen i världen

Det var uppenbart vart de behövde gå - LCLS.

"Det var den enda platsen i världen som vi kunde fokusera detta [mängd] ljus, sa Rudenko.

Teamet tittade på hur röntgenstrålar påverkar tunga atomer med massor av protoner, neutroner, och elektroner. Många tunga atomer spelar viktiga funktioner i biologiska reaktioner, såsom jodens roll i att producera hormoner. Eftersom tunga atomer interagerar mer med röntgenstrålar än ljusa, forskare använder ofta tunga atomer för att få tydligare bilder.

Som alla andra, laget fick tävla om tiden på LCLS, en Office of Science -användaranläggning värd för DOE:s SLAC National Accelerator Laboratory. De skrev om och lämnade in sitt förslag tre gånger innan det godkändes. Jämfört med medicinsk forskning, det var en tuff försäljning. "Vi ville bara spränga av en molekyl, "sa Daniel Rolles, en biträdande professor vid Kansas State University. "Vårt argument var, 'Hej titta, ni kan bara förstå vad ni gör om ni låter oss göra våra saker först.

Sanningens ögonblick

Det var äntligen dags att slå på röntgen.

"Det var bara alla rattar till höger, "sa Rolles." Vi gick i princip all-out när det gäller intensitet. "

Först, de träffade en xenonatom med LCLS full effekt.

Den reaktionen gick som förväntat. Röntgenjoniserade elektroner nära kärnan, spränga dem ur atomen. När de närmaste utrymmena tömdes ut, elektroner längre bort rörde sig inåt. Sedan blev de nya elektronerna energiska och zoomade ut ur atomen också. Inom en miljonedel av en miljarddel av en sekund, den processen upprepade sig tills bara några få elektroner var kvar. Övergripande, en enda xenonatom kastade ut 48 av sina 54 elektroner.

Nöjd, laget körde hela experimentet igen. Den här gången, de riktade röntgenstrålen mot en jodatom omgiven av några andra i en molekyl.

Det var då saker blev konstiga.

"Det var klart att det hände något under dessa experimentella förhållanden som vi inte hade sett någon annanstans, så det var väldigt spännande, "sa Rebecca Boll, en forskare på studien som arbetar vid den europeiska röntgenfria elektronlaseranläggningen.

Teamet förväntade sig att joden skulle mata ut, suga in, och sedan mata ut fler elektroner som xenon gjorde. Men när jod tog slut på elektroner, det slutade inte. Istället, joden slammade upp elektroner från omgivande kol- och väteatomer. Efter att ha matat ut 47 av sina egna elektroner, den cyklade igenom sju till. I slutet, joden förändrade kol- och vätgas elektronstrukturer i grunden.

Teamet ville se om samma sak skulle hända med en större molekyl. Stickning av en annan jodinnehållande molekyl under röntgen, de såg när det spottade ut så många fragment att det var svårt att hålla reda på dem. De uppskattade att det kastade ut mer än 60 elektroner.

Avslöjar varför

Medan forskarna visste vad som hände, de visste inte varför. En jodatom som tappar två elektroner kan resultera i ett stort antal möjliga elektronstrukturer. Inte bara förlorade jodatomen mer än 50 elektroner, dess struktur förändrades helt efter varje förlust.

För att förklara denna process, de vände sig till sina kollegor i teoretisk fysik vid Center for Free-Electron Laser Science i Tyskland. Modellering visade att under lägre intensitet, både atomen i sig själv och atomen i molekylen absorberar bara några fotoner åt gången. På LCLS, molekylen absorberade upp till 20 fotoner - mycket mer än en atom. Det överladdade systemet.

Att ta reda på röntgenstrålar kan starkt påverka atomer förutom den som direkt träffades av röntgen visade att forskare måste ta en andra titt på sina bilder. I framtiden, laget förutspår att de kommer att kunna rita en röntgeneffekt på en viss molekyl. Precis som läsglasögon justerar en framsynt persons syn, forskare kommer att kunna bättre redogöra för strålningens inflytande på deras resultat. Den kunskapen hjälper dem att se en tydligare bild än någonsin tidigare.