(Phys.org) - Cientistas do SLAC têm explodido "buckyballs" - moléculas de carbono em forma de bola de futebol - com um laser de raios-X para entender como elas se separam. Os resultados, eles dizem, ajudará os estudos biológicos, melhorando a análise de imagens de raios-X de vírus minúsculos, proteínas individuais e outras biomoléculas importantes.

O experimento foi realizado em Linac Coherent Light Source (LCLS) laser de raios-X da SLAC, uma instalação de usuário do DOE Office of Science, e os resultados aparecem na edição de 27 de junho de Nature Communications .

"É uma espécie de Catch-22:você precisa que o foco do laser de raios-X seja extremamente intenso e brilhante para obter uma boa imagem, "diz Nora Berrah, um físico experimental da Universidade de Connecticut. "Mas os raios X também provocam danos e movimentos inesperadamente rápidos e substanciais nos átomos, resultando em uma imagem borrada. "Berrah liderou a pesquisa com Robin Santra, um teórico do Center for Free-Electron Laser Science no laboratório DESY da Alemanha.

Como os fulerenos são compostos inteiramente de carbono - a espinha dorsal de toda a vida na Terra - eles são um bom substituto para as moléculas biológicas, muitos dos quais também têm fortes ligações atômicas. Eles têm seu nome formal, "buckminsterfullerene, "por sua semelhança com as cúpulas geodésicas inventadas por R. Buckminster Fuller.

Em 20 femtossegundos, ou quatrilionésimos de segundo, depois de ser atingido por raios-X LCLS, átomos nos fulerenos voaram e viajaram uma distância cerca de 10 vezes maior do que seus próprios diâmetros, os pesquisadores relataram.

"Os raios X brilhantes expulsam um grande número de elétrons da molécula, seus átomos tornam-se cada vez mais carregados positivamente, e a repulsão elétrica finalmente deixa a molécula explodir, "Berrah disse.

Assim como objetos em movimento rápido podem borrar as fotos convencionais, as altas velocidades dos átomos e elétrons flutuando livremente em uma molécula em explosão podem obscurecer as imagens de raios-X, portanto, a melhor maneira de observar uma molécula em seu estado intacto é usar a mais curta, os pulsos mais brilhantes disponíveis no LCLS para capturar imagens antes que qualquer dano ocorra.

Além disso, modelar os detalhes do dano pode ajudar os pesquisadores a encontrar o melhor momento e técnicas para capturar imagens precisas que mapeiam a estrutura 3-D e outras propriedades das amostras.

Na LCLS, os pesquisadores usaram um forno especializado para criar um feixe de gás fino de fulerenos que passou no caminho dos pulsos de raios-X do LCLS. Eles variaram a energia e o comprimento dos pulsos LCLS e usaram um espectrômetro especializado, desenvolvido na Suécia, para medir fragmentos carregados de moléculas nas explosões provocadas por raios-X e suas consequências.

Na média, cerca de 180 partículas de luz, chamados fótons, entrou em cada fulereno atingido por um pulso LCLS, e, em alguns casos, eles removeram todos os elétrons dos átomos de carbono enquanto explodiam a molécula.

Em seguida, os bits de buckyball altamente carregados, conhecido como íons, formaram minúsculos plasmas e começaram a puxar elétrons flutuantes de volta para eles - um processo conhecido como "ionização secundária".

Sem experimentos, desenvolver modelos que simulam e predizem o comportamento de grandes, moléculas complexas são desafiadoras mesmo com computadores poderosos, Berrah observou. O experimento no LCLS foi fundamental para ajudar a construir e validar um novo modelo teórico para explicar como os fulerenos se comportam sob extrema intensidade de raios-X.

"O que é mais importante, na verdade, são os efeitos de ionização secundários que foram explicados pelo modelo, que validamos, "Berrah explicou." Esses efeitos foram mais fortes e duraram mais do que o esperado. "

Os cientistas compararam os destroços da explosão molecular com uma simulação desenvolvida pelo cientista do DESY, Zoltan Jurek, do CFEL. "Essas ferramentas de simulação foram originalmente desenvolvidas para coisas como líquidos e polímeros que estão no equilíbrio ou perto dele, não pelas altas energias e forças fortes que vemos aqui, "explica Jurek." Ninguém sabia se isso realmente funcionaria. "

Berrah disse, "Precisávamos de dados experimentais para construir e desenvolver o modelo. Ao mesmo tempo, este modelo poderoso nos permitiu interpretar os dados. Este é um marco importante para a investigação de indivíduos, biomoléculas complexas como proteínas com lasers como LCLS. "