Snelle "elektronencamera's" kunnen kleine moleculaire bewegingen in een materiaal detecteren door een krachtige bundel elektronen van een monster te verstrooien. Tot voor kort, onderzoekers hadden deze techniek alleen gebruikt om gassen en vaste stoffen te bestuderen. Maar enkele van de belangrijkste biologische en chemische processen, in het bijzonder de omzetting van licht in energie, gebeuren in moleculen in een oplossing.

Nutsvoorzieningen, onderzoekers hebben deze techniek toegepast, ultrasnelle elektronendiffractie, tot moleculen in vloeibare monsters. Ze ontwikkelden een methode om vloeistofstralen van 100 nanometer dik te maken - ongeveer 1, 000 keer dunner dan de breedte van een mensenhaar, waardoor ze duidelijke diffractiepatronen van elektronen kunnen krijgen. In de toekomst, deze methode zou hen in staat kunnen stellen om lichtgestuurde processen zoals visie, katalyse, fotosynthese en DNA-schade veroorzaakt door UV-stralen.

Het team, waaronder onderzoekers van het SLAC National Accelerator Laboratory van het Department of Energy, Stanford University en de Universiteit van Nebraska-Lincoln (UNL), publiceerden hun resultaten in maart in Structural Dynamics.

"Dit onderzoek is een enorme doorbraak op het gebied van ultrasnelle elektronendiffractie, " zegt Xijie Wang, directeur van het MeV-UED-instrument, die co-auteur van het artikel was. "In staat zijn om biologische en chemische systemen in hun natuurlijke omgeving te bestuderen, is een waardevol hulpmiddel dat een nieuw venster voor de toekomst opent."

Stop-motionfilms

Vloeistofstralen worden al lang gebruikt om monsters af te leveren bij röntgenlasers zoals SLAC's Linac Coherent Light Source (LCLS), het verstrekken van waardevolle informatie over ultrasnelle processen zoals ze plaatsvinden in hun natuurlijke omgeving. SLAC's ultrasnelle "elektronencamera, "MeV-UED, maakt gebruik van hoogenergetische elektronenstralen als aanvulling op de reeks structurele informatie die bij LCLS wordt verzameld.

Hier, wetenschappers beginnen met het opwekken van een monster met laserlicht, aftrap van de processen die ze hopen te bestuderen. Vervolgens blazen ze het monster op met een korte puls van elektronen met hoge energie, gemeten in miljoenen elektronvolt (MeV), naar binnen kijken, het genereren van snapshots van de verschuivende atomaire structuur die aan elkaar kunnen worden geregen tot een stop-motionfilm van de door licht veroorzaakte structurele veranderingen in het monster.

In de caleidoscoop kijken

De kleine golflengten van deze hoogenergetische elektronen stellen wetenschappers in staat snapshots met hoge resolutie te maken, inzicht bieden in processen zoals protonenoverdracht en het verbreken van waterstofbruggen die met andere methoden moeilijk te bestuderen zijn. Maar het toepassen van deze techniek op vloeibare monsters is een uitdaging gebleken.

"Omdat elektronen niet zo gemakkelijk monsters binnendringen als röntgenstralen, " zegt Kathryn Ledbetter, een afgestudeerde student aan het Stanford PULSE Institute die co-auteur was van het artikel, "Het toepassen van deze techniek op vloeistoffen is al lang een uitdaging in het veld."

Als het monster te dik is, de elektronen kunnen vast komen te zitten en meerdere keren verstrooien, een wilde mix van patronen produceren waar moeilijk informatie uit te halen is, alsof je door een caleidoscoop kijkt. In deze nieuwe studie het team overwon die uitdagingen door het gebruik van MeV-elektronen en een gasversnelde dunne vloeistofstraal. Terwijl de elektronen door de straal breken, ze verspreiden zich maar één keer, het produceren van een schoon patroon dat veel gemakkelijker te reconstrueren is. Het team ontwierp ook een kamer waarin de vloeistofstraal was ondergebracht en bewaakte de interactie tussen het monster en de elektronenstraal.

'Weer een tool in de ultrasnelle gereedschapskist'

Dit artikel vormt de basis voor aankomend onderzoek dat vragen onderzoekt zoals wat er gebeurt als waterstofbruggen breken of wanneer moleculen UV-straling absorberen. Als volgende stap, SLAC-onderzoekers upgraden de MeV-UED-faciliteit en ontwikkelen een nieuwe generatie directe elektronendetectoren die het wetenschappelijke bereik van deze techniek aanzienlijk zullen vergroten.

"We zouden graag zien dat dit een ander hulpmiddel is in de gereedschapskist van onderzoekers die proberen te leren over vloeistoffen en door licht gestuurde reacties, " zegt Pedro Nunes, een postdoctoraal onderzoeker aan de UNL die het onderzoek leidde. "We willen de gemeenschap laten zien dat wat ooit als vergezocht werd beschouwd, niet alleen mogelijk is, maar in staat om soepel genoeg te werken om structurele veranderingen in realtime te volgen."