Med hjälp av en kombination av experimentell och beräkningsdata, forskare upptäcker vägar för att optimera pulser från mycket intensiva röntgenstrålar.

Forskare har länge eftersträvat förmågan att se strukturen hos en enda, friformsmolekyl med atomupplösning, vad många kallar den "heliga gralen" av bildbehandling. En möjlig metod är att sikta extremt kort, högintensiva X-ray free-electron laser (XFEL) pulser på ett provmaterial. Men denna ultrasnabba bildteknik förstör också sitt mål, så tiden är avgörande.

Forskare vid det amerikanska energidepartementets (DOE) Argonne National Laboratory går framåt med en kombination av experiment och datorsimuleringar, vill förstå hur XFEL-pulser interagerar med sina mål. Nyligen, ett team ledd av Argonnes grupp för atommolekylär optisk fysik i divisionen Chemical Sciences and Engineering pekade ut en viktig och ofta ignorerad parameter som kan påverka experimentets resultat:tid. Deras papper, "Rollen av transienta resonanser för ultrasnabb avbildning av enstaka sackaros nanokluster, " publicerades nyligen i tidskriften Naturkommunikation .

Förmågan att undersöka 3D-strukturer i atomär skala hjälper oss att bättre förstå virus, till exempel, och leverera medicin till kroppen mer effektivt. I dag, denna typ av analys kräver att materialet som ska studeras placeras i kristallin form. Biologiska partiklar fixeras i denna icke-naturliga form så att när en röntgenstråle träffar dem, strålen sprids, skapa ett diffraktionsmönster som kan användas för att förstå molekylstrukturen.

Men många typer av biologiska system kristalliserar inte särskilt bra, och kristallerna kan vara för små för att generera ett bra diffraktionsmönster. Eller så kan kristallisering förändra strukturen, förhindrar förmågan att observera en partikel i dess naturliga tillstånd. För att skapa ett spridningsmönster utan att kristallisera materialet krävs en superintens stråle som en XFEL, blixtrade i förbluffande snabba skurar.

"För denna typ av experiment, du behöver mycket intensiva pulser, som kan förstöra provet mycket snabbt, sa Phay Ho, en Argonne-fysiker som var medförfattare till tidningen. "Med detta tillvägagångssätt, du måste använda mycket korta pulser så att du kan samla in alla spridningssignaler innan provet förstörs."

Denna kapplöpning mot tiden mäts i femtosekunder, varav en är lika med en miljondels miljarddels sekund. För att studera hur olika parametrar kan påverka resultatet av ett XFEL-experiment, det tvärvetenskapliga teamet av forskare studerade enstaka nanokluster av sackaros med hjälp av Linac Coherent Light Source (LCLS), en XFEL vid Stanford Universitys SLAC National Accelerator Laboratory.

"Kristallerna som du observerar vid en lagringsringbaserad ljuskälla som Argonnes Advanced Photon Source (APS), i motsats till en XFEL, är vanligtvis 10 mikron eller så stora, sa Linda Young, en Argonne Distinguished Fellow och pappersmedförfattare. "De strukturer vi tittar på i den här studien är minst 200 gånger mindre - nanometer i storlek."

Forskarna jämförde sedan experimentdata med beräkningar som kördes på superdatorn Mira vid Argonne Leadership Computing Facility (ALCF). Detta involverade en stor ensemble av molekylära simuleringar som spårade 42 miljoner partiklar som interagerar med en XFEL-puls - ett jobb för en superdator.

"När du har en maskin som Mira, du kan köra ett stort antal simuleringar, du kan göra dem alla samtidigt, och du kan köra dem över de tidsskalor som vi behövde för just denna studie, sa Christopher Knight, en beräkningsforskare vid ALCF och Argonnes Computational Science-avdelning, och en medförfattare till tidningen.

Studien fann att när det gäller XFEL-pulser på sackaros, kortare är bättre. Forskare som vill förbättra avbildningsresultaten kan använda en pulslängd på 200 femtosekunder. Men det visar sig att 200 miljondelar av en miljarddels sekund kan vara för lugnt.

"Om du använder pulser så här långa, du kan faktiskt försämra din signal avsevärt, " sa Ho. "För att göra den här typen av bildbehandling, pulsen ska bara vara några femtosekunder. Det är viktigt att inte bara titta på antalet fotoner, men antalet fotoner per tidsenhet."

Datormodelleringen kommer att hjälpa forskarna att optimera framtida experiment, nollställa parametrar som ger de bästa resultaten.

"Det är inte lätt att få stråltid att göra de här experimenten, " sa Ho. "Denna data kommer att vara mycket användbar för att ta reda på de optimala pulsförhållandena för att testa nästa."