(Phys.org) —Forskare på SLAC har sprängt ”buckyballs”-fotbollsformade kolmolekyler-med en röntgenlaser för att förstå hur de flyger isär. Resultaten, de säger, kommer att hjälpa biologiska studier genom att förbättra analysen av röntgenbilder av små virus, enskilda proteiner och andra viktiga biomolekyler.
Experimentet utfördes vid SLAC:s Linac Coherent Light Source (LCLS) röntgenlaser, en användaranläggning för DOE Office of Science, och resultaten visas i 27 juni -numret av Naturkommunikation .
"Det är en slags Catch-22:Du behöver röntgenlaserfokus för att vara extremt intensiv och ljus för att få en bra bild, säger Nora Berrah, en experimentell fysiker vid University of Connecticut. "Men röntgenstrålarna utlöser också oväntat snabb och betydande skada och rörelse i atomerna, resulterar i en suddig bild. "Berrah ledde forskningen med Robin Santra, en teoretiker från Center for Free-Electron Laser Science vid Tysklands DESY-lab.
Eftersom buckyballar helt består av kol-ryggraden i allt liv på jorden-är de en bra stand-in för biologiska molekyler, många av dem har också starka atombindningar. De fick sitt formella namn, "buckminsterfullerene, "för deras likhet med de geodesiska kupoler som uppfanns av R. Buckminster Fuller.
Inom 20 femtosekunder, eller kvadriljondelar av en sekund, efter att ha träffats av LCLS-röntgenstrålar, atomer i buckybollarna hade flugit isär och reste en sträcka cirka 10 gånger längre än sina egna diametrar, rapporterade forskarna.
"De ljusa röntgenstrålarna slår ut ett stort antal elektroner ur molekylen, dess atomer blir mer och mer positivt laddade, och den elektriska avstötningen låter äntligen molekylen explodera, Sa Berrah.
Precis som snabba föremål kan suddas ut konventionella fotografier, höga atomer och fritt flytande elektroner i en exploderande molekyl kan skymma röntgenbilder, så det bästa sättet att observera en molekyl i dess intakta tillstånd är att använda den kortaste, ljusaste pulser som finns tillgängliga på LCLS för att ta bilder innan några skador uppstår.
Dessutom, modellering av detaljerna om skadan kan hjälpa forskare att hitta den bästa tidpunkten och teknikerna för att ta exakta bilder som kartlägger 3D-strukturen och andra egenskaper hos proverna.
Vid LCLS, forskare använde en specialiserad ugn för att skapa en tunn gasstråle av buckyballs som passerade in i vägen för LCLS-röntgenpulser. De varierade energin och längden på LCLS -pulserna och använde en specialiserad spektrometer, utvecklat i Sverige, för att mäta laddade fragment av molekylerna i de röntgendrivna explosionerna och deras efterspel.
I genomsnitt, cirka 180 ljuspartiklar, kallas fotoner, gick in i varje buckyball som träffades av en LCLS -puls, och i vissa fall tog de bort alla elektroner från kolatomerna medan de blåste isär molekylen.
Sedan de mycket laddade buckyballbitarna, känd som joner, bildade små plasma och började dra fritt flytande elektroner tillbaka mot dem-en process som kallas "sekundär jonisering".
Utan experiment, utveckla modeller som simulerar och förutsäger beteendet hos stora, komplexa molekyler är utmanande även med kraftfulla datorer, Berrah noterade. Experimentet på LCLS var nyckeln till att hjälpa till att konstruera och validera en ny teoretisk modell för att förklara hur buckybollar beter sig under extrem röntgenintensitet.
"Det viktigaste, faktiskt, är de sekundära joniseringseffekterna som förklarades av modellen, som vi validerade, "Berrah förklarade." Dessa effekter var starkare och varade längre än väntat. "
Forskarna jämförde skräp från molekylexplosionen med en simulering utvecklad av DESY -forskaren Zoltan Jurek från CFEL. "Sådana simuleringsverktyg utvecklades ursprungligen för saker som vätskor och polymerer som är vid eller nära jämvikt, inte för de höga energier och starka krafter vi ser här, "förklarar Jurek." Ingen visste om detta verkligen skulle fungera. "
Berrah sa, "Vi behövde experimentella data för att bygga och utveckla modellen. Samtidigt denna kraftfulla modell tillät oss att tolka data. Detta är en viktig milstolpe för utredningen av enskilda, komplexa biomolekyler som proteiner med lasrar som LCLS. "
