Usando uma combinação de dados experimentais e computacionais, pesquisadores descobrem caminhos para otimizar pulsos de feixes de raios-X altamente intensos.

Os cientistas há muito buscam a capacidade de ver a estrutura de um único, molécula de forma livre em resolução atômica, o que muitos chamam de "Santo Graal" da imagem. Um método potencial envolve mirar extremamente curto, pulsos de laser de elétrons livres de raios X altamente intensos (XFEL) em um material de amostra. Mas esta técnica de imagem ultrarrápida também destrói seu alvo, então o tempo é essencial.

Pesquisadores do Laboratório Nacional de Argonne do Departamento de Energia dos EUA (DOE) estão avançando os esforços com uma combinação de experimentos e simulações de computador, procurando entender como os pulsos XFEL interagem com seus alvos. Recentemente, uma equipe liderada pelo grupo Atomic Molecular Optical Physics de Argonne na divisão de Ciências Químicas e Engenharia identificou um parâmetro importante e frequentemente ignorado que pode influenciar os resultados do experimento:o tempo. Seu papel, "O papel das ressonâncias transientes para imagens ultrarrápidas de nanoclusters de sacarose simples, "foi publicado recentemente na revista Nature Communications .

A capacidade de examinar estruturas 3-D em escala atômica nos ajuda a entender melhor os vírus, por exemplo, e administrar remédios ao corpo de maneira mais eficaz. Hoje, este tipo de análise requer colocar o material a ser estudado na forma cristalina. Partículas biológicas são fixadas nesta forma não nativa de modo que, quando um raio-X as atinge, o feixe se espalha, criando um padrão de difração que pode ser usado para entender a estrutura molecular.

Mas muitos tipos de sistemas biológicos não cristalizam muito bem, e os cristais podem ser muito pequenos para gerar um bom padrão de difração. Ou a cristalização pode mudar a estrutura, impedindo a capacidade de observar uma partícula em seu estado natural. Para criar um padrão de dispersão sem cristalizar o material, é necessário um feixe superintenso como um XFEL, brilhou em rajadas assustadoramente rápidas.

"Para este tipo de experimento, você precisa de pulsos muito intensos, que pode destruir a amostra muito rapidamente, "disse Phay Ho, um físico Argonne co-autor do artigo. "Com esta abordagem, você precisa usar pulsos muito curtos para que possa coletar todos os sinais de dispersão antes que a amostra seja destruída. "

Esta corrida contra o tempo é medida em femtossegundos, um dos quais é igual a um milionésimo de um bilionésimo de um segundo. Para estudar como diferentes parâmetros podem afetar o resultado de um experimento XFEL, a equipe multidisciplinar de pesquisadores estudou nanoclusters únicos de sacarose usando a fonte de luz coerente Linac (LCLS), um XFEL no SLAC National Accelerator Laboratory da Stanford University.

"Os cristais que você observa em uma fonte de luz baseada em anel de armazenamento, como a Advanced Photon Source (APS) de Argonne, ao contrário de um XFEL, têm tipicamente 10 mícrons ou mais de tamanho, "disse Linda Young, um Distinguished Fellow da Argonne e co-autor do artigo. "As estruturas que estamos examinando neste estudo são pelo menos 200 vezes menores - nanômetros de tamanho."

Os pesquisadores então compararam os dados experimentais com cálculos executados no supercomputador Mira no Argonne Leadership Computing Facility (ALCF). Isso envolveu um grande conjunto de simulações moleculares que rastreou 42 milhões de partículas interagindo com um pulso XFEL - um trabalho para um supercomputador.

"Quando você tem uma máquina como Mira, você pode executar um grande número de simulações, você pode fazer tudo ao mesmo tempo, e você pode executá-los nas escalas de tempo que precisávamos para este estudo específico, "disse Christopher Knight, um cientista da computação da divisão ALCF e da divisão de Ciência da Computação da Argonne, e coautor do artigo.

O estudo descobriu que, quando se trata de pulsos de XFEL com sacarose, quanto mais curto, melhor. Os cientistas que procuram ampliar os resultados das imagens podem usar uma duração de pulso de 200 femtossegundos. Mas acontece que 200 milionésimos de bilionésimo de segundo podem ser muito vagarosos.

"Se você usar pulsos tão longos, você pode degradar substancialmente o seu sinal, "Ho disse." Para fazer este tipo de imagem, o pulso deve durar apenas alguns femtossegundos. É importante olhar não apenas para o número de fótons, mas o número de fótons por unidade de tempo. "

A modelagem por computador ajudará os pesquisadores a otimizar experimentos futuros, concentrando-se nos parâmetros que produzirão os melhores resultados.

"Não é fácil obter o tempo do feixe para fazer esses experimentos, "Disse Ho." Esses dados serão muito úteis para descobrir as condições de pulso ideais para tentar a seguir. "