(Phys.org) -Wetenschappers van SLAC hebben "buckyballs" - voetbalvormige koolstofmoleculen - opgeblazen met een röntgenlaser om te begrijpen hoe ze uit elkaar vliegen. De resultaten, ze zeggen, zal helpen bij biologische studies door de analyse van röntgenfoto's van kleine virussen te verbeteren, individuele eiwitten en andere belangrijke biomoleculen.

Het experiment werd uitgevoerd bij SLAC's Linac Coherent Light Source (LCLS) röntgenlaser, een DOE Office of Science gebruikersfaciliteit, en de resultaten verschijnen in het nummer van 27 juni van: Natuurcommunicatie .

"Het is een soort Catch-22:je hebt de röntgenlaserfocus nodig om extreem intens en helder te zijn om een ​​goed beeld te krijgen, " zegt Nora Berra, een experimenteel natuurkundige aan de Universiteit van Connecticut. "Maar de röntgenstralen veroorzaken ook onverwacht snelle en substantiële schade en beweging in de atomen, wat resulteert in een wazig beeld." Berrah leidde het onderzoek met Robin Santra, een theoreticus van het Center for Free-Electron Laser Science in het Duitse DESY-lab.

Omdat buckyballs volledig zijn samengesteld uit koolstof - de ruggengraat van al het leven op aarde - zijn ze een goede vervanger voor biologische moleculen, waarvan vele ook sterke atomaire bindingen hebben. Ze kregen hun formele naam, "buckminsterfullereen, vanwege hun gelijkenis met de geodetische koepels uitgevonden door R. Buckminster Fuller.

Binnen 20 femtoseconden, of quadriljoensten van een seconde, na geraakt te zijn door LCLS-röntgenstralen, atomen in de buckyballs waren uit elkaar gevlogen en hadden een afstand afgelegd die ongeveer 10 keer langer was dan hun eigen diameter, meldden de onderzoekers.

"De heldere röntgenstralen slaan een groot aantal elektronen uit het molecuul, zijn atomen worden steeds positiever geladen, en de elektrische afstoting laat het molecuul uiteindelijk exploderen, ' zei Berra.

Net zoals snel bewegende objecten conventionele foto's kunnen vervagen, de hoge snelheden van atomen en vrij zwevende elektronen in een exploderend molecuul kunnen röntgenbeelden verduisteren, dus de beste manier om een ​​molecuul in intacte staat te observeren, is door de kortste, helderste pulsen beschikbaar bij LCLS om foto's te maken voordat er schade optreedt.

In aanvulling, het modelleren van de details van de schade kan onderzoekers helpen de beste timing en technieken te vinden voor het vastleggen van nauwkeurige afbeeldingen die de 3D-structuur en andere eigenschappen van de monsters in kaart brengen.

Bij LCLS, onderzoekers gebruikten een gespecialiseerde oven om een ​​dunne gasstraal van buckyballs te creëren die in het pad van LCLS-röntgenpulsen terechtkwamen. Ze varieerden de energie en lengte van de LCLS-pulsen en gebruikten een gespecialiseerde spectrometer, ontwikkeld in Zweden, om geladen fragmenten van de moleculen te meten in de door röntgenstraling aangedreven explosies en hun nasleep.

Gemiddeld, ongeveer 180 lichtdeeltjes, fotonen genoemd, elke buckyball binnenkwam die werd geraakt door een LCLS-puls, en in sommige gevallen hebben ze alle elektronen van de koolstofatomen gestript terwijl ze het molecuul uit elkaar bliezen.

Dan de sterk geladen buckyball-bits, bekend als ionen, vormden kleine plasma's en begonnen vrij zwevende elektronen terug naar zich toe te trekken - een proces dat bekend staat als 'secundaire ionisatie'.

Zonder experimenten, het ontwikkelen van modellen die het gedrag van grote, complexe moleculen is een uitdaging, zelfs met krachtige computers, merkte Berra op. Het experiment bij LCLS was van cruciaal belang bij het bouwen en valideren van een nieuw theoretisch model om uit te leggen hoe buckyballs zich gedragen onder extreme röntgenintensiteit.

"Wat het belangrijkste is, in feite, zijn de secundaire ionisatie-effecten die door het model werden verklaard, die we hebben gevalideerd, " legde Berrah uit. "Deze effecten waren sterker en duurden langer dan verwacht."

De wetenschappers vergeleken het puin van de moleculaire explosie met een simulatie ontwikkeld door DESY-wetenschapper Zoltan Jurek van CFEL. "Dergelijke simulatietools zijn oorspronkelijk ontwikkeld voor zaken als vloeistoffen en polymeren die op of nabij evenwicht zijn, niet voor de hoge energieën en sterke krachten die we hier zien, " legt Jurek uit. "Niemand wist of dit echt zou werken."

Berra zei, "We hadden de experimentele gegevens nodig om het model te bouwen en te ontwikkelen. dit krachtige model stelde ons in staat om de gegevens te interpreteren. Dit is een belangrijke mijlpaal voor het onderzoek naar individuele, complexe biomoleculen zoals eiwitten met lasers zoals LCLS."