Als je deze woorden leest, je ogen laten je elke letter en de spaties ertussen zien. Maar als je een leesbril nodig hebt, de letters kunnen vaag of onbegrijpelijk zijn. Wetenschappers staan ​​voor een soortgelijke uitdaging. Het verzamelen van de juiste gegevens hangt af van het hebben van tools die nauwkeurige, uitgebreide metingen. Ten slotte, wetenschappers willen een zo helder mogelijk zicht hebben.

Natuurkundige Artem Rudenko van de Kansas State University en zijn collega's vroegen zich af hoe ze de beelden van virussen en microdeeltjes die wetenschappers van röntgenstralen krijgen, kunnen verbeteren. Om in de kwestie te duiken, ze schoten de krachtigste röntgenlaser ter wereld - gelokaliseerd bij de Linac Coherent Light Source (LCLS) van het Department of Energy (DOE) Office of Science - op een reeks atomen en moleculen.

Kunnen we vertrouwen op wat we zien?

Wetenschappers gebruiken regelmatig röntgenlichtbronnen om foto's en video's te maken van biologische en chemische processen en objecten. Bijvoorbeeld, een recente studie bij de LCLS keek naar hoe antibiotica en de delen van het lichaam die eiwitten produceren op elkaar inwerken.

Maar als de ogen van een verziend persoon, deze instrumenten kunnen de perceptie van wetenschappers beïnvloeden. In minder tijd dan het licht nodig heeft om een ​​millimeter te reizen, de röntgenfoto vernietigt het monster. Maar de röntgenstraling beschadigt het monster lang voordat het wordt vernietigd, zelfs terwijl wetenschappers proberen hun afbeeldingen vast te leggen.

Dit betekent dat de vastgelegde afbeeldingen van een beschadigd monster zijn, niet het origineel. Dat kan de gegevens vervormen en hoe wetenschappers deze interpreteren.

Wetenschappers hebben behoorlijk wat werk verzet om de effecten van "zachte" röntgenstralen met lagere energie te bestuderen. Ze concludeerden dat beelden van zachte röntgenstralen ondanks de schade een goede weergave geven van de originele structuren.

Maar het meeste beeldvormend onderzoek maakt gebruik van "harde" röntgenstralen met een hogere energie, omdat ze vaak meer details opleveren. Wetenschappers hadden minder gegevens over de schade die zeer intense harde röntgenstraling veroorzaakt. Ze hadden geen equivalent van een ooggrafiek om de omvang van het probleem in te schatten of wat er mogelijk moest worden aangepast. Rudenko en zijn collega's wilden daar verandering in brengen.

De enige plek ter wereld

Het was duidelijk waar ze heen moesten:de LCLS.

"Dat was de enige plek ter wereld waar we deze [hoeveelheid] licht konden concentreren, ' zei Rudenko.

Het team onderzocht hoe röntgenstraling zware atomen met veel protonen beïnvloedt, neutronen, en elektronen. Veel zware atomen spelen belangrijke functies in biologische reacties, zoals de rol van jodium bij de productie van hormonen. Omdat zware atomen meer interactie hebben met röntgenstraling dan lichte, wetenschappers gebruiken vaak zware atomen om duidelijkere beelden te krijgen.

Zoals iedereen, het team moest strijden om tijd bij de LCLS, een Office of Science-gebruikersfaciliteit die wordt gehost door het SLAC National Accelerator Laboratory van DOE. Ze herschreven en dienden hun voorstel drie keer in voordat het werd aanvaard. In vergelijking met medisch onderzoek, het was een moeilijke verkoop. "We wilden gewoon uit een molecuul schieten, " zei Daniël Rolles, een assistent-professor aan de Kansas State University. "Ons argument was 'He kijk, jullie kunnen alleen begrijpen wat jullie doen als jullie ons eerst onze dingen laten doen.'"

Het moment van de waarheid

Het was eindelijk tijd om de röntgenfoto aan te zetten.

"Het waren gewoon allemaal knoppen naar rechts, "zei Rolles. "We gingen eigenlijk alles uit de kast in termen van intensiteit."

Eerst, ze raken een xenon-atoom met het volle vermogen van de LCLS.

Die reactie verliep zoals verwacht. De met röntgenstraling geïoniseerde elektronen dichtbij de kern, door ze uit het atoom te schieten. Terwijl de dichtstbijzijnde ruimtes leegliepen, elektronen verder weg naar binnen bewogen. Toen werden de nieuwe elektronen bekrachtigd en zoomden ook uit het atoom. Binnen een miljoenste van een miljardste van een seconde, dat proces herhaalde zich totdat er nog maar een paar elektronen over waren. Algemeen, een enkel xenon-atoom wierp 48 van zijn 54 elektronen uit.

Tevreden, het team voerde het hele experiment opnieuw uit. Deze keer, ze richtten de röntgenstraal op een jodiumatoom omringd door een paar andere in een molecuul.

Toen werd het raar.

"Het was duidelijk dat er onder deze experimentele omstandigheden iets gebeurde dat we nergens anders hadden gezien, dus dat was heel spannend " zei Rebecca Bol, een wetenschapper aan het onderzoek die werkt bij de Europese X-Ray Free Electron Laser-faciliteit.

Het team verwachtte dat het jodium eruit zou komen, zuigen, en stoten dan meer elektronen uit zoals het xenon deed. Maar toen jodium geen elektronen meer had, het hield niet op. In plaats daarvan, het jodium slurpte elektronen op van omringende koolstof- en waterstofatomen. Na het uitwerpen van 47 van zijn eigen elektronen, het fietste door zeven meer. Aan het eind, het jodium veranderde de elektronenstructuren van koolstof en waterstof fundamenteel.

Het team wilde zien of hetzelfde zou gebeuren met een groter molecuul. Een ander jodiumhoudend molecuul onder de röntgenfoto steken, ze keken toe hoe het zoveel fragmenten uitspuugde dat het moeilijk was om ze bij te houden. Ze schatten dat het meer dan 60 elektronen uitwierp.

Het waarom onthullen

Terwijl de onderzoekers wisten wat er gebeurde, ze wisten niet waarom. Een jodiumatoom dat twee elektronen verliest, kan resulteren in een enorm aantal mogelijke elektronenstructuren. Niet alleen verloor het jodiumatoom meer dan 50 elektronen, de structuur ervan veranderde volledig na elk verlies.

Om dit proces te helpen verklaren, ze wendden zich tot hun collega's in de theoretische natuurkunde van het Center for Free-Electron Laser Science in Duitsland. Modellering toonde aan dat bij lagere intensiteiten, zowel het atoom zelf als het atoom in het molecuul absorberen slechts een paar fotonen tegelijk. Bij de LCLS, het molecuul absorbeerde tot 20 fotonen - veel meer dan een atoom. Dat laadde het systeem op.

Het ontdekken dat röntgenstralen atomen sterk kunnen beïnvloeden, behalve dat de straling die rechtstreeks door de röntgenstraal wordt geraakt, heeft aangetoond dat wetenschappers hun afbeeldingen nog eens moeten bekijken. In de toekomst, het team voorspelt dat ze de effecten van een röntgenfoto op een bepaald molecuul kunnen uitzetten. Net zoals een leesbril het zicht van een verziende bijstelt, wetenschappers zullen de invloed van straling op hun resultaten beter kunnen verklaren. Die kennis zal hen helpen een duidelijker beeld te zien dan ooit tevoren.