Quando os cientistas do Laboratório Nacional do Acelerador SLAC do Departamento de Energia concentraram a intensidade total do laser de raios-X mais poderoso do mundo em uma pequena molécula, eles tiveram uma surpresa:um único pulso de laser removeu todos, exceto alguns elétrons do maior átomo da molécula, de dentro para fora, deixando um vazio que começou a puxar elétrons do resto da molécula, como um buraco negro devorando um disco de matéria em espiral.

Em 30 femtossegundos - milionésimos de bilionésimo de segundo - a molécula perdeu mais de 50 elétrons, muito mais do que os cientistas previram com base em experimentos anteriores usando feixes menos intensos, ou átomos isolados. Então explodiu.

Os resultados, publicado hoje em Natureza , fornecem aos cientistas percepções fundamentais de que eles precisam para planejar e interpretar melhor os experimentos usando os pulsos de raios-X mais intensos e energéticos do laser de elétrons-livres de elétrons-X Linac Coherent Light Source (LCLS) do SLAC. Os experimentos que exigem essas intensidades ultra-altas incluem tentativas de gerar imagens de objetos biológicos individuais, como vírus e bactérias, em alta resolução. Eles também são usados ​​para estudar o comportamento da matéria sob condições extremas, e compreender melhor a dinâmica de carga em moléculas complexas para aplicações tecnológicas avançadas.

"Para qualquer tipo de experimento que focalize raios-X intensos em uma amostra, você quer entender como ele reage aos raios X, "disse Daniel Rolles, da Kansas State University." Este artigo mostra que podemos compreender e modelar os danos da radiação em pequenas moléculas, então agora podemos prever quais danos teremos em outros sistemas. "

Como focalizar o sol em uma miniatura

O experimento, liderado por Rolles e Artem Rudenko do estado do Kansas, ocorreu no instrumento Coherent X-ray Imaging da LCLS. CXI fornece raios-X com as energias mais altas possíveis alcançáveis ​​no LCLS, conhecido como raios-X duros, e registra dados de amostras no instante antes que o pulso de laser os destrua.

Quão intensos são esses pulsos de raios-X?

"Eles são cerca de cem vezes mais intensos do que você obteria se focalizasse toda a luz do sol que atinge a superfície da Terra em uma miniatura, "disse o cientista e co-autor da equipe do LCLS, Sebastien Boutet.

Raios-X disparam cascatas de elétrons

Para este estudo, pesquisadores usaram espelhos especiais para focar o feixe de raios-X em um ponto com pouco mais de 100 nanômetros de diâmetro - cerca de um centésimo do tamanho daquele usado na maioria dos experimentos CXI, e mil vezes menor que a largura de um cabelo humano. Eles analisaram três tipos de amostras:átomos de xenônio individuais, que tem 54 elétrons cada, e dois tipos de moléculas, cada uma contendo um único átomo de iodo, que tem 53 elétrons.

Os átomos pesados ​​em torno deste tamanho são importantes nas reações bioquímicas, e os pesquisadores às vezes os adicionam a amostras biológicas para aumentar o contraste para aplicações de imagem e cristalografia. Mas até agora, ninguém havia investigado como o feixe CXI ultra-intenso afeta moléculas com átomos tão pesados.

A equipe ajustou a energia dos pulsos CXI para que eles retirassem seletivamente os elétrons mais internos dos átomos de xenônio ou iodo, criando "átomos vazios". Com base em estudos anteriores com raios-X menos energéticos, eles pensaram que cascatas de elétrons das partes externas do átomo cairiam para preencher as lacunas, apenas para serem expulsos por raios-X subsequentes. Isso deixaria apenas alguns dos elétrons mais fortemente ligados. E, na verdade, foi o que aconteceu tanto com os átomos de xenônio independentes quanto com os átomos de iodo nas moléculas.

Mas nas moléculas, o processo não parou por aí. O átomo de iodo, que tinha uma forte carga positiva depois de perder a maioria de seus elétrons, continuou a sugar elétrons dos átomos de carbono e hidrogênio vizinhos, e esses elétrons também foram ejetados, um por um.

Em vez de perder 47 elétrons, como seria o caso de um átomo de iodo isolado, o iodo na molécula menor perdeu 54, incluindo aqueles que pegou de seus vizinhos - um nível de danos e interrupções que não só é maior do que seria normalmente esperado, mas de natureza significativamente diferente.

Os resultados alimentam a teoria para melhorar os experimentos

"Achamos que o efeito foi ainda mais importante na molécula maior do que na menor, mas não sabemos como quantificá-lo ainda, "Disse Rudenko." Estimamos que mais de 60 elétrons foram expulsos, mas não sabemos realmente onde parou porque não pudemos detectar todos os fragmentos que voaram quando a molécula se desfez para ver quantos elétrons estavam faltando. Esta é uma das questões em aberto que precisamos estudar. "

Para os dados analisados ​​até o momento, o modelo teórico forneceu excelente concordância com o comportamento observado, fornecendo a confiança de que sistemas mais complexos agora podem ser estudados, disse o diretor da LCLS, Mike Dunne. "Isso tem benefícios importantes para os cientistas que desejam obter as imagens de maior resolução de moléculas biológicas (por exemplo, para informar o desenvolvimento de melhores produtos farmacêuticos). Esses experimentos também orientam o desenvolvimento de um instrumento de próxima geração para o projeto de atualização do LCLS-II, que proporcionará um grande salto em capacidade devido ao aumento na taxa de repetição de 120 pulsos por segundo para 1 milhão. "