Usando pulsos de laser de raios X, a estrutura da matéria pode ser estudada com precisão sem precedentes. No entanto, os pulsos são tão violentos que destroem a amostra que está sendo irradiada. Não obstante, uma equipe de físicos polonês-japoneses acaba de conseguir demonstrar que os átomos do cristal investigado reagem a uma avalanche de fótons com certo atraso. A descoberta significa que, usando pulsos de laser suficientemente curtos, será possível visualizar uma estrutura de matéria intacta.
É possível ver reações químicas de moléculas complexas em resolução subatômica? Parece que sim, mas apenas com o uso de lasers de elétrons livres (FEL). Lasers desse tipo são capazes de gerar pulsos de raios X com qualidades únicas:além de serem ultracurtos, medidos em femtossegundos únicos, também contêm muitos fótons. Após irradiar uma amostra com tal pulso, é produzida uma imagem de difração, a partir da qual os físicos podem tentar reconstruir a estrutura espacial das moléculas. Nessa abordagem, no entanto, espreita um problema muito sério.

“Quando irradiamos uma amostra com muitos fótons de alta energia, seus átomos começam a interagir com a radiação tão fortemente que o material é destruído. imagem de sua destruição?" pergunta a Prof. Beata Ziaja-Motyka do Instituto de Física Nuclear da Academia Polonesa de Ciências (IFJ PAN) em Cracóvia e do Centro de Pesquisa de Laser de Elétron Livre (CFEL) no DESY em Hamburgo.

O Prof. Ziaja-Motyka é membro de uma equipe internacional de físicos experimentais e teóricos liderados pelo Dr. Ichiro Inoue da instalação FEL do Centro RIKEN SPring-8 do Japão. O grupo estuda a interação de pulsos de raios X de laser com a matéria há vários anos. Em seu último artigo, publicado em Cartas de Revisão Física , os cientistas apresentam os resultados de trabalhos em processos como esses no caso de nanocristais de corindo compostos por átomos de oxigênio e alumínio. A parte experimental foi realizada com o laser de raios X SACLA operando em Hyogo, Japão.

"Uma característica única do nosso laser é sua capacidade de produzir pulsos de raios-X duros, ou seja, de alta energia, que são ultracurtos e de alta intensidade. Em nossa pesquisa com nanocristais de corindo, usamos pulsos com duração de apenas seis femtossegundos. Os dados coletados nos permitiram estimar que os átomos do cristal começam a reagir ao feixe de fótons com um atraso de 20 femtossegundos", diz o Dr. Inoue.

"Os resultados experimentais estão em excelente acordo com as previsões de nossos modelos e simulações, onde também aparece um atraso semelhante", diz o Prof. Ziaja-Motyka, que, juntamente com o Dr. Victor Tkachenko (IFJ PAN), esteve envolvido no estudo teórico descrição e simulações dos fenômenos estudados. "Acreditamos que a principal razão para esse atraso é o fato de que os elétrons localizados em átomos presos nos nós da rede cristalina agem um pouco como um pára-choques e são os primeiros a receber o impulso do pulso de raios-X", disse. acrescenta o Dr. Tkachenko.

A resposta atrasada dos átomos de oxigênio e alumínio no corindo ao pulso de raios X acaba sendo uma consequência do seguinte curso de eventos. Quando fótons de alta energia entram no cristal, eles transmitem essa energia principalmente para os elétrons nos átomos incorporados nos nós da rede cristalina. Como resultado dessa interação, os elétrons são massivamente expulsos dos átomos. Devido à significativa diferença de massa entre os elétrons liberados e os átomos ionizantes, estes não sentem inicialmente o recuo. No entanto, os próprios átomos, até então eletricamente inertes, tornam-se fortemente carregados eletricamente e começam a sentir repulsão de seus vizinhos carregados de forma semelhante. É esse processo que leva cerca de 20 femtossegundos. Em um estágio ainda mais avançado, os íons ganham energia adicional por meio de interações com os elétrons acelerados. O resultado final é a destruição da amostra.

No passado, sistemas compostos por átomos de diferentes elementos já foram estudados com lasers de raios-X FEL. No entanto, pulsos com duração de 15 a 20 femtossegundos foram usados ​​para irradiá-los. Sabe-se agora que é exatamente nessa escala de tempo que os átomos nos sistemas começam a responder à irradiação de pulso. Este fato significa que as imagens obtidas até agora representaram estruturas já parcialmente perturbadas pela interação com o feixe de laser.

A concordância dos tempos de reação dos átomos do nanocristal de corindo a um pulso de raios X, medido no último experimento, com os previstos por simulações, permite-nos considerar com otimismo outras tentativas de observar outros sistemas mais complexos, especialmente aqueles que contêm luz elementos, que são os blocos de construção da matéria viva.

A estrutura de nanocristais simples, como o corindo, é reprodutível. As simetrias existentes facilitam fazer observações, analisar imagens de difração e simular as reações de amostras a pulsos de laser. Infelizmente, muitas estruturas interessantes são desprovidas de simetria. O objetivo de longo alcance do trabalho da equipe de físicos polonês-japoneses é, portanto, desenvolver métodos e criar ferramentas que permitam imagens e simulação de sistemas biologicamente relevantes, como conglomerados de proteínas ou vírus únicos.

"Atualmente, os tempos de realização de simulações computacionais representam um desafio particular. A falta de simetria em amostras de interesse biológico nos obriga a modelar grandes sistemas. Os cálculos podem levar muitos meses. Estamos trabalhando para reduzi-los a horas únicas, o que aceleraria pesquisa e facilitar sua aplicação prática", observa o Prof. Ziaja-Motyka. + Explorar mais

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