Door de EU gefinancierde onderzoekers hebben een nieuwe ultrasnelle röntgentechniek ontwikkeld die een revolutie teweeg kan brengen in ons begrip van structuur en functie op atomair en moleculair niveau.

Een onderzoeksteam in Duitsland gebruikt een nieuwe compacte harde röntgenbron om nieuw licht te werpen op belangrijke vragen in de structurele biologie.

Tot nu toe ultrakorte elektronenbundels, die veel toepassingen hebben in wetenschappelijke beeldvorming, kan alleen worden geproduceerd door dure, energieverslindende apparatuur die ongeveer de ruimte van een auto in beslag nam. Een team van Deutsches Elektronen-Synchrotron (DESY), de Duitse Synchrotron, en het Massachusetts Institute of Technology (MIT) in de Verenigde Staten, heeft een apparaat geproduceerd ter grootte van een luciferdoosje dat een hele reeks toepassingen zou kunnen openen voor zowel academici als de industrie.

Als onderdeel van het door de EU gefinancierde AXSIS-project (Attosecond X-ray Science:Imaging and Spectroscopie) het DESY-team, samen met de Universiteit van Hamburg, gebruikt dit apparaat nu als een foto-injector voor een nieuwe Attosecond tafelmodel vrije-elektronenlaser. Hiermee, ze nemen korte sequenties op van chemische, fysiek en, bovenal, biologische processen.

Het leven is nooit statisch en veel van de belangrijkste reacties in de chemie en biologie worden door licht veroorzaakt en vinden plaats op ultrasnelle tijdschalen, volgens de onderzoekers. Deze reacties zijn bestudeerd met een hoge tijdsresolutie, voornamelijk door ultrasnelle laserspectroscopie, maar dit reduceert de enorme complexiteit van het proces tot slechts enkele reactiecoördinaten.

Een revolutie in ons begrip

Het AXSIS-team, onder leiding van Franz Kaertner, Hoogleraar natuurkunde aan de Universiteit van Hamburg, heeft attoseconde seriële kristallografie en spectroscopie ontwikkeld die een volledige beschrijving kunnen geven van ultrasnelle processen die atomair zijn opgelost in de reële ruimte en in het elektronische energielandschap. Ze geloven dat deze nieuwe techniek ons ​​begrip van structuur en functie op atomair en moleculair niveau op zijn kop zal zetten en fundamentele processen in de chemie en biologie zal helpen ontrafelen.

De techniek omvat het toepassen van een volledig coherente attoseconde röntgenbron op basis van coherente inverse Compton-verstrooiing van een vrij-elektronkristal, ontwikkeld door het project, om de effecten van stralingsschade te overtreffen die worden veroorzaakt door de hoge röntgenstraling die nodig is om diffractiesignalen op te vangen.

Instrumentatie optimaliseren

Het team gebruikt deze vooruitgang ook om de hele instrumentatie te optimaliseren voor fundamentele metingen van lichtabsorptie en excitatie-energieoverdracht. Dit omvat röntgenpulsparameters, in combinatie met monsterafgifte en kristalgrootte, evenals geavanceerde röntgendetectoren.

Het uiteindelijke doel zal zijn om de nieuwe mogelijkheden toe te passen op enkele van de fundamentele problemen in de biologie, zoals het bestuderen van de dynamiek van lichtreacties, elektronenoverdracht en eiwitstructuur bij fotosynthese.

Het AXSIS-team publiceerde hun bevindingen onlangs in het tijdschrift optiek . Het project heeft bijna 14 miljoen euro aan EU-financiering ontvangen en loopt tot juli 2020.