Toen wetenschappers van het SLAC National Accelerator Laboratory van het Department of Energy de volledige intensiteit van 's werelds krachtigste röntgenlaser op een klein molecuul concentreerden, ze kregen een verrassing:een enkele laserpuls verwijderde alle elektronen op een paar na uit het grootste atoom van het molecuul van binnenuit, een leegte achterlatend die elektronen begon aan te trekken uit de rest van het molecuul, als een zwart gat dat een spiraalvormige schijf van materie opslokt.

Binnen 30 femtoseconden - miljoenste van een miljardste van een seconde - verloor het molecuul meer dan 50 elektronen, veel meer dan wetenschappers hadden verwacht op basis van eerdere experimenten met minder intense stralen, of geïsoleerde atomen. Toen ontplofte het.

De resultaten, vandaag gepubliceerd in Natuur , geeft wetenschappers fundamentele inzichten die ze nodig hebben om experimenten beter te plannen en te interpreteren met behulp van de meest intense en energetische röntgenpulsen van SLAC's Linac Coherent Light Source (LCLS) röntgenvrije-elektronenlaser. Experimenten die deze ultrahoge intensiteiten vereisen, omvatten pogingen om individuele biologische objecten in beeld te brengen, zoals virussen en bacteriën, bij hoge resolutie. Ze worden ook gebruikt om het gedrag van materie onder extreme omstandigheden te bestuderen, en om de ladingsdynamiek in complexe moleculen beter te begrijpen voor geavanceerde technologische toepassingen.

"Voor elk type experiment dat je doet waarbij intense röntgenstralen op een monster worden gefocust, je wilt begrijpen hoe het reageert op de röntgenstralen, " zei Daniel Rolles van de Kansas State University. "Dit artikel laat zien dat we de stralingsschade in kleine moleculen kunnen begrijpen en modelleren, dus nu kunnen we voorspellen welke schade we in andere systemen zullen oplopen."

Zoals het scherpstellen van de zon op een miniatuur

Het experiment, onder leiding van Rolles en Artem Rudenko van de staat Kansas, vond plaats in het Coherent X-ray Imaging-instrument van LCLS. CXI levert röntgenstralen met de hoogst mogelijke energieën die haalbaar zijn bij LCLS, bekend als harde röntgenstralen, en registreert gegevens van monsters op het moment voordat de laserpuls ze vernietigt.

Hoe intens zijn die röntgenpulsen?

"Ze zijn ongeveer honderd keer intenser dan wat je zou krijgen als je al het zonlicht dat het aardoppervlak raakt op een miniatuur zou concentreren, " zei LCLS-stafwetenschapper en co-auteur Sebastien Boutet.

Röntgenstralen triggeren elektronencascades

Voor deze studie is onderzoekers gebruikten speciale spiegels om de röntgenstraal te focussen op een plek met een diameter van iets meer dan 100 nanometer - ongeveer een honderdste van de grootte die wordt gebruikt in de meeste CXI-experimenten, en duizend keer kleiner dan de breedte van een mensenhaar. Ze keken naar drie soorten monsters:individuele xenon-atomen, die elk 54 elektronen hebben, en twee soorten moleculen die elk een enkel jodiumatoom bevatten, die 53 elektronen heeft.

Zware atomen rond deze grootte zijn belangrijk bij biochemische reacties, en onderzoekers voegen ze soms toe aan biologische monsters om het contrast voor beeldvormings- en kristallografietoepassingen te verbeteren. Maar tot nu toe, niemand had onderzocht hoe de ultra-intensieve CXI-straal moleculen met zulke zware atomen beïnvloedt.

Het team stemde de energie van de CXI-pulsen af, zodat ze selectief de binnenste elektronen van de xenon- of jodiumatomen zouden strippen. het creëren van "holle atomen". Op basis van eerdere studies met minder energetische röntgenstralen, ze dachten dat cascades van elektronen uit de buitenste delen van het atoom naar beneden zouden vallen om de vacatures te vullen, alleen om er zelf uit te worden geschopt door daaropvolgende röntgenfoto's. Dat zou slechts een paar van de meest strak gebonden elektronen overlaten. En, in feite, dat is wat er gebeurde in zowel de vrijstaande xenon-atomen als de jodiumatomen in de moleculen.

Maar in de moleculen het proces stopte daar niet. Het jodiumatoom, die een sterke positieve lading had na het verlies van de meeste van zijn elektronen, bleef elektronen opzuigen van naburige koolstof- en waterstofatomen, en die elektronen werden ook uitgeworpen, een voor een.

In plaats van 47 elektronen te verliezen, zoals het geval zou zijn voor een geïsoleerd jodiumatoom, het jodium in het kleinere molecuul verloor 54, inclusief degene die het van zijn buren heeft gegrepen - een niveau van schade en verstoring dat niet alleen hoger is dan normaal zou worden verwacht, maar wezenlijk verschillend van aard.

Resultaten worden meegenomen in de theorie om experimenten te verbeteren

"We denken dat het effect nog belangrijker was in het grotere molecuul dan in het kleinere, maar we weten nog niet hoe we het moeten kwantificeren, " zei Rudenko. "We schatten dat er meer dan 60 elektronen werden uitgestoten, maar we weten eigenlijk niet waar het stopte omdat we niet alle fragmenten konden detecteren die wegvlogen toen het molecuul uit elkaar viel om te zien hoeveel elektronen er ontbraken. Dit is een van de open vragen die we moeten bestuderen."

Voor de gegevens die tot nu toe zijn geanalyseerd, het theoretische model gaf een uitstekende overeenkomst met het waargenomen gedrag, het vertrouwen geven dat complexere systemen nu kunnen worden bestudeerd, zei LCLS-directeur Mike Dunne. "Dit heeft belangrijke voordelen voor wetenschappers die afbeeldingen van biologische moleculen met de hoogste resolutie willen bereiken (bijvoorbeeld om de ontwikkeling van betere geneesmiddelen te informeren). Deze experimenten begeleiden ook de ontwikkeling van een instrument van de volgende generatie voor het LCLS-II-upgradeproject, wat een grote sprong voorwaarts in capaciteit zal opleveren door de verhoging van de herhalingsfrequentie van 120 pulsen per seconde naar 1 miljoen."