"Câmeras de elétrons" de alta velocidade podem detectar movimentos moleculares minúsculos em um material, espalhando um poderoso feixe de elétrons de uma amostra. Até recentemente, os pesquisadores usaram essa técnica apenas para estudar gases e sólidos. Mas alguns dos processos biológicos e químicos mais importantes, em particular a conversão de luz em energia, acontecem em moléculas em uma solução.

Agora, pesquisadores aplicaram esta técnica, difração ultrarrápida de elétrons, a moléculas em amostras líquidas. Eles desenvolveram um método para criar jatos de líquido de 100 nanômetros de espessura - cerca de 1, 000 vezes mais fino do que a largura de um cabelo humano - o que permite que eles obtenham padrões de difração claros dos elétrons. No futuro, este método pode permitir que eles explorem processos conduzidos pela luz, como visão, catálise, fotossíntese e danos ao DNA causados ​​pelos raios ultravioleta.

O time, que incluiu pesquisadores do Laboratório Nacional de Aceleradores SLAC do Departamento de Energia, Stanford University e University of Nebraska-Lincoln (UNL), publicou seus resultados na Structural Dynamics em março.

"Esta pesquisa é um grande avanço no campo da difração de elétrons ultrarrápida, "diz Xijie Wang, diretor do instrumento MeV-UED, quem é o co-autor do artigo. "Ser capaz de estudar sistemas biológicos e químicos em seu ambiente natural é uma ferramenta valiosa que abre uma nova janela para o futuro."

Filmes stop-motion

Os jatos de líquido têm sido usados ​​há muito tempo para entregar amostras em lasers de raios-X, como Linac Coherent Light Source (LCLS) da SLAC, fornecendo informações valiosas sobre processos ultrarrápidos à medida que ocorrem em seu ambiente natural. Câmera de elétrons ultrarrápida do SLAC, "MeV-UED, usa feixes de elétrons de alta energia para complementar a gama de informações estruturais coletadas no LCLS.

Aqui, os cientistas começam estimulando uma amostra com luz laser, dando início aos processos que eles esperam estudar. Em seguida, eles explodem a amostra com um pulso curto de elétrons com alta energia, medido em milhões de elétronvolts (MeV), para olhar para dentro, gerar instantâneos de sua estrutura atômica em mudança que podem ser amarrados juntos em um filme de stop-motion das mudanças estruturais induzidas pela luz na amostra.

Olhando para o caleidoscópio

Os minúsculos comprimentos de onda desses elétrons de alta energia permitem que os cientistas tirem fotos de alta resolução, oferecendo uma visão sobre processos como transferência de prótons e quebra de ligações de hidrogênio, que são difíceis de estudar com outros métodos. Mas aplicar esta técnica a amostras líquidas tem se mostrado um desafio.

"Uma vez que os elétrons não penetram nas amostras tão facilmente quanto os raios X, "diz Kathryn Ledbetter, um estudante de pós-graduação no Stanford PULSE Institute que foi co-autor do artigo, "aplicar esta técnica a líquidos tem sido um desafio de longa data no campo."

Se a amostra for muito espessa, os elétrons podem ficar presos e se espalhar várias vezes, produzindo uma mistura selvagem de padrões dos quais é difícil coletar informações, como olhar através de um caleidoscópio. Neste novo estudo, a equipe superou esses desafios com o uso de elétrons MeV e um jato de folha de líquido fino acelerado por gás. Conforme os elétrons rompem o jato, eles se espalham apenas uma vez, produzindo um padrão limpo que é muito mais fácil de reconstruir. A equipe também projetou uma câmara que abrigava o jato de líquido e monitorava a interação entre a amostra e o feixe de elétrons.

"Outra ferramenta na caixa de ferramentas ultrarrápida '

Este artigo prepara o terreno para pesquisas futuras que investiguem questões como o que acontece quando as ligações de hidrogênio se rompem ou quando as moléculas absorvem a radiação ultravioleta. Como uma próxima etapa, Os pesquisadores do SLAC estão atualizando as instalações do MeV-UED e desenvolvendo uma nova geração de detectores de elétrons diretos que irão expandir muito o alcance científico desta técnica.

"Gostaríamos que isso fosse mais uma ferramenta na caixa de ferramentas dos pesquisadores que tentam aprender sobre líquidos e reações impulsionadas pela luz, "diz Pedro Nunes, um pesquisador de pós-doutorado na UNL que conduziu a pesquisa. "Queremos mostrar à comunidade que o que antes era considerado rebuscado não é apenas possível, mas capaz de funcionar sem problemas o suficiente para ver as mudanças estruturais se desenrolarem em tempo real. "