Höghastighets "elektronkameror" kan upptäcka små molekylrörelser i ett material genom att sprida en kraftfull elektronstråle från ett prov. Tills nyligen, forskare hade bara använt denna teknik för att studera gaser och fasta ämnen. Men några av de viktigaste biologiska och kemiska processerna, särskilt omvandling av ljus till energi, sker i molekyler i en lösning.

Nu, forskare har tillämpat denna teknik, ultrasnabb elektrondiffraktion, till molekyler i flytande prover. De utvecklade en metod för att skapa 100-nanometer tjocka vätskestrålar-cirka 1, 000 gånger tunnare än bredden på ett människohår - som gör att de kan få tydliga diffraktionsmönster från elektroner. I framtiden, denna metod kan göra det möjligt för dem att utforska ljusdrivna processer som syn, katalys, fotosyntes och DNA -skador orsakade av UV -strålar.

Laget, som inkluderade forskare från Department of Energy's SLAC National Accelerator Laboratory, Stanford University och University of Nebraska-Lincoln (UNL), publicerade sina resultat i Structural Dynamics i mars.

"Denna forskning är ett enormt genombrott inom området ultrahurtig elektrondiffraktion, "säger Xijie Wang, chef för MeV-UED-instrumentet, som var medförfattare till tidningen. "Att kunna studera biologiska och kemiska system i sin naturliga miljö är ett värdefullt verktyg som öppnar ett nytt fönster för framtiden."

Stoppfilm

Vätskestrålar har länge använts för att leverera prover på röntgenlasrar som SLAC:s Linac Coherent Light Source (LCLS), tillhandahålla värdefull information om ultrasnabba processer som de förekommer i deras naturliga miljö. SLAC:s ultrasnabba "elektronkamera, "MeV-UED, använder elektroner med hög energi för att komplettera utbudet av strukturell information som samlas in vid LCLS.

Här, forskare börjar med att spänna ett prov med laserljus, startar de processer de hoppas studera. Därefter spränger de provet med en kort puls av elektroner med hög energi, mätt i miljoner elektronvolt (MeV), att titta inuti, genererar ögonblicksbilder av dess skiftande atomstruktur som kan strängas ihop till en stop-motion-film av de ljusinducerade strukturförändringarna i provet.

Tittar in i kalejdoskopet

De små våglängderna hos dessa elektroner med hög energi tillåter forskare att ta ögonblicksbilder med hög upplösning, ger insikt i processer som protonöverföring och vätebindningsbrytning som är svåra att studera med andra metoder. Men att tillämpa denna teknik på flytande prover har visat sig vara utmanande.

"Eftersom elektroner inte penetrerar prover lika lätt som röntgenstrålar, säger Kathryn Ledbetter, en doktorand vid Stanford PULSE Institute som var medförfattare till uppsatsen, "Att tillämpa denna teknik på vätskor har varit en långvarig utmaning inom området."

Om provet är för tjockt, elektronerna kan fastna och spridas flera gånger, producera en vild blandning av mönster som är svårt att få information från, som att titta igenom ett kalejdoskop. I denna nya studie, laget övervann dessa utmaningar genom användning av MeV-elektroner och en gasaccelererad tunn vätskeformig arkstråle. När elektronerna bryter igenom strålen, de sprids bara en gång, producerar ett rent mönster som är mycket lättare att rekonstruera. Teamet utformade också en kammare som innehöll vätskestrålen och övervakade interaktionen mellan provet och elektronstrålen.

"Ett annat verktyg i den ultrasnabba verktygslådan"

Den här uppsatsen sätter scenen för kommande forskning som undersöker frågor som vad som händer när vätebindningar bryts eller när molekyler absorberar UV -strålning. Som ett nästa steg, SLAC-forskare uppgraderar MeV-UED-anläggningen och utvecklar en ny generation direktelektrondetektorer som kraftigt kommer att utöka den vetenskapliga räckvidden för denna teknik.

"Vi skulle vilja att detta skulle vara ett annat verktyg i verktygslådan för forskare som försöker lära sig om vätskor och ljusdrivna reaktioner, "säger Pedro Nunes, en postdoktor vid UNL som ledde forskningen. "Vi vill visa gemenskapen att det man en gång trodde var långsökt inte bara är möjligt, men kan fungera tillräckligt smidigt för att se hur strukturella förändringar utvecklas i realtid. "