Water is een essentieel ingrediënt voor het leven zoals we het kennen, die meer dan de helft van het volwassen menselijke lichaam uitmaken en tot 90 procent van sommige andere levende wezens. Maar wetenschappers die kleine biologische monsters met bepaalde golflengten van licht probeerden te onderzoeken, hebben ze niet in hun natuurlijke, waterige omgevingen omdat het water te veel licht absorbeert.

Nu is er een manier om dat probleem te omzeilen:een team onder leiding van wetenschappers van het SLAC National Accelerator Laboratory van het Department of Energy veranderde kleine vloeistofstralen die monsters in het pad van een röntgenstraal vervoeren in dunne, vrij vloeiende bladen, 100 keer dunner dan ooit tevoren. Ze zijn zo dun dat röntgenstralen er ongehinderd doorheen gaan, zodat afbeeldingen van de monsters die ze dragen duidelijk zijn.

De nieuwe methode opent nieuwe vensters op kritische processen in de chemie, natuurkunde en biologie, inclusief de aard van het water zelf, zeiden de onderzoekers in een rapport van 10 april in Natuurcommunicatie .

De methode is ontwikkeld door SLAC's X-ray free-electron laser, de Linac coherente lichtbron (LCLS), maar ze zeiden dat het ook kan werken in experimenten met synchrotron-lichtbronnen, tafelbladlasers en elektronenstralen.

"Dit opent mogelijkheden op veel terreinen, " zei SLAC-stafwetenschapper Jake Koralek, die samen met Daniel DePonte het onderzoek leidde, leider van de afdeling LCLS Sample Environment.

"Tot nu, we hebben geen monsters kunnen onderzoeken die in water zijn gesuspendeerd met twee soorten licht - infrarood en 'zacht', röntgenstraling met lagere energie - die belangrijk zijn voor het maken van afbeeldingen en het gebruik van spectroscopie om basisprocessen in de natuurkunde te bestuderen, scheikunde en biologie, inclusief de fysica van water, ' zei Koralek.

"Het nieuwe mondstuk dat we hebben ontwikkeld, die vloeiende vloeistoflagen kan creëren van slechts 100 watermoleculen dik die dagenlang in een vacuüm blijven, lost dat probleem op. De platen kunnen zelfs worden gebruikt om monsters af te beelden met elektronenstralen die nog kleinere details oplossen."

Vloeistof vormgeven met gas

Het mondstuk is een kleine glaschip met drie microscopisch kleine kanaaltjes. Door het middelste kanaal stroomt een vloeistofstroom, gevormd door gasstromen die aan weerszijden uit de kanalen komen. Dit specifieke mondstuk is gemaakt met fotolithografie, een techniek die wordt gebruikt om computerchips te maken, maar het kan ook worden gemaakt met 3D-printen, merkten de onderzoekers op.

Terwijl de wetenschappers de snelheid van de gasstroom verhogen, de vloeistofstroom verspreidt zich in een reeks platen waarvan de breedte en dikte nauwkeurig kunnen worden geregeld. De plaat die zich het dichtst bij het mondstuk bevindt, is het breedst en het dunst; hoe verder ze van het mondstuk komen, hoe smaller en dikker de platen worden totdat ze uiteindelijk overgaan in een cilindrische stroom.

De vellen glinsteren als zeepbellen in verschillende kleuren, het resultaat van licht dat weerkaatst wordt door zowel de voor- als achterkant van de plaat. En net zoals de hoogtelijnen op een topografische kaart verschillen in hoogte aangeven, de tint en afstand van de steeds veranderende kleurbanden van een vel geven aan hoe dik het is en hoeveel de dikte van het ene punt naar het andere verandert.

"Het is een zeer flexibel en betrouwbaar ontwerp voor het maken van zowel ultradunne als iets dikkere vloeibare vellen, wat voor sommige toepassingen wenselijk kan zijn", zegt Linda Young, een voorname fellow bij DOE's Argonne National Laboratory en professor aan de Universiteit van Chicago die niet betrokken was bij het onderzoek.

Ze zei dat ze het mondstuk zal gebruiken om iets dikkere waterlagen te maken voor een LCLS-onderzoek naar hoe watermoleculen zich gedragen nadat een van hun elektronen is weggerukt. Deze geïoniseerde watermoleculen blijven slechts een paar honderd femtoseconden bestaan, of miljoenen van een miljardste van een seconde, en "de röntgenstralen bieden een volledig nieuwe en schone manier om hun elektronische reactie in hun natuurlijke omgeving te volgen, dus daarom zijn we er enthousiast over, ' zei Jong.

Een nieuwe manier om extreme vormen van water te bestuderen

De vloeibare platen zijn al gebruikt in experimenten die de eigenschappen van water onderzoeken in extreme omgevingen zoals die op reuzenplaneten, zei co-auteur Siegfried Glenzer, een SLAC-professor en hoofd van de High Energy Density Science Division van het laboratorium.

Die experimenten werden uitgevoerd met de FLASH vrije-elektronenlaser bij het Duitse Deutsches Elektronen-Synchrotron (DESY). Onderzoekers gebruikten röntgenpulsen om de vloeibare vellen tot duizenden graden te verwarmen om de extreem warme, dichte vorm van water aanwezig in reuzenplaneten zoals Jupiter. Vervolgens maten ze de reflectiviteit en geleidbaarheid van het superhete water met optische laserpulsen op het moment voordat het water verdampte. Deze metingen konden alleen worden gedaan op een vlakke plaat water.

"Er zijn veel mysteries in die grote planeten en ze zijn belangrijk voor het begrijpen van de evolutie van ons planetaire systeem en andere, " zei Glenzer. "Dit is een prachtig hulpmiddel om water zelf te bestuderen, en in de toekomst zullen we ook andere materialen bestuderen die we erin kunnen mengen."

Het team mat de dikte van de platen met een bundel infrarood licht bij de Advanced Light Source in het Lawrence Berkeley National Laboratory van de DOE, en toonden ook aan dat de platen kunnen worden gebruikt voor infraroodspectroscopie, waar licht dat door een materiaal wordt geabsorbeerd, zijn chemische samenstelling onthult.