Leggendo queste parole, i tuoi occhi ti permettono di vedere ogni lettera e gli spazi tra di loro. Ma se hai bisogno di occhiali da lettura, le lettere possono essere sfocate o incomprensibili. Gli scienziati affrontano una sfida simile. La raccolta dei dati corretti dipende dalla disponibilità di strumenti in grado di fornire dati accurati, misurazioni complete. Dopotutto, gli scienziati vogliono avere la vista più chiara possibile.

Il fisico Artem Rudenko della Kansas State University e i suoi colleghi hanno riflettuto su come migliorare le immagini di virus e microparticelle che gli scienziati ottengono dai raggi X. Per approfondire la questione, hanno sparato con il laser a raggi X più potente del mondo, situato presso la Linac Coherent Light Source (LCLS) del Department of Energy (DOE) Office of Science, su una serie di atomi e molecole.

Possiamo fidarci di ciò che vediamo?

Gli scienziati utilizzano regolarmente sorgenti di luce a raggi X per scattare foto e video di processi e oggetti biologici e chimici. Per esempio, un recente studio presso la LCLS ha esaminato come interagiscono gli antibiotici e le parti del corpo che producono le proteine.

Ma come gli occhi di una persona lungimirante, questi strumenti possono influenzare la percezione degli scienziati. In meno tempo della luce per percorrere un millimetro, la radiografia cancella il campione. Ma i raggi X danneggiano il campione molto prima che venga annientato, anche mentre gli scienziati stanno cercando di catturare le loro immagini.

Ciò significa che le immagini catturate sono di un campione danneggiato, non l'originale. Ciò può distorcere i dati e il modo in cui gli scienziati li interpretano.

Gli scienziati hanno fatto un bel po' di lavoro studiando gli effetti dei raggi X "molli" a bassa energia. Hanno concluso che le immagini dei raggi X molli forniscono una buona riproduzione delle strutture originali nonostante il danno.

Ma la maggior parte della ricerca di imaging utilizza raggi X "duri" a energia più elevata perché spesso forniscono maggiori dettagli. Gli scienziati avevano meno dati sul danno causato dai raggi X duri molto intensi. Non avevano l'equivalente di una mappa oculistica per stimare l'entità del problema o ciò che poteva essere necessario aggiustare. Rudenko e i suoi colleghi miravano a cambiarlo.

L'unico posto al mondo

Era ovvio dove dovevano andare:la LCLS.

"Quello era l'unico punto al mondo in cui potevamo focalizzare questa [quantità di] luce, ", ha detto Rudenko.

Il team ha esaminato come i raggi X influenzano gli atomi pesanti con molti protoni, neutroni, ed elettroni. Molti atomi pesanti svolgono importanti funzioni nelle reazioni biologiche, come il ruolo dello iodio nella produzione di ormoni. Poiché gli atomi pesanti interagiscono maggiormente con i raggi X rispetto a quelli leggeri, gli scienziati usano spesso atomi pesanti per ottenere immagini più chiare.

Come tutti gli altri, la squadra ha dovuto competere per il tempo alla LCLS, una struttura per gli utenti dell'Office of Science ospitata dallo SLAC National Accelerator Laboratory del DOE. Hanno riscritto e ripresentato la loro proposta tre volte prima che fosse accettata. Rispetto alla ricerca medica, è stata una vendita difficile. "Volevamo solo far saltare in aria una molecola, " ha detto Daniel Rolles, un assistente professore alla Kansas State University. "Il nostro argomento era, 'Ehi guarda, voi ragazzi potete capire cosa state facendo solo se ci lasciate fare prima le nostre cose.'"

Il momento della verità

Era finalmente arrivato il momento di accendere i raggi X.

"Erano solo tutte le manopole a destra, " ha detto Rolles. "Siamo andati praticamente a tutto campo in termini di intensità".

Primo, hanno colpito un atomo di xeno con tutta la potenza della LCLS.

Quella reazione è andata come previsto. Gli elettroni ionizzati ai raggi X vicino al nucleo, facendoli esplodere dall'atomo. Man mano che gli spazi più vicini si svuotavano, gli elettroni più lontani si spostano verso l'interno. Quindi i nuovi elettroni si sono energizzati e sono usciti anche dall'atomo. Entro un milionesimo di miliardesimo di secondo, quel processo si è ripetuto finché sono rimasti solo pochi elettroni. Globale, un singolo atomo di xeno ha espulso 48 dei suoi 54 elettroni.

Soddisfatto, il team ha eseguito di nuovo l'intero esperimento. Questa volta, hanno puntato i raggi X su un atomo di iodio circondato da pochi altri in una molecola.

È stato allora che le cose sono diventate strane.

"Era chiaro che stava accadendo qualcosa in queste condizioni sperimentali che non avevamo visto da nessun'altra parte, quindi è stato molto eccitante, " ha detto Rebecca Boll, uno scienziato dello studio che lavora presso la struttura europea di laser a elettroni liberi a raggi X.

Il team si aspettava che lo iodio venisse espulso, aspirare, e poi espelli più elettroni come ha fatto lo xeno. Ma quando lo iodio ha esaurito gli elettroni, non si è fermato. Anziché, lo iodio ha assorbito elettroni dagli atomi di carbonio e idrogeno circostanti. Dopo aver espulso 47 dei propri elettroni, ne percorse altri sette. Alla fine, lo iodio alterava fondamentalmente le strutture elettroniche del carbonio e dell'idrogeno.

Il team voleva vedere se la stessa cosa sarebbe successa con una molecola più grande. Attaccare un'altra molecola contenente iodio sotto i raggi X, guardavano sputare così tanti frammenti che era difficile tenerne traccia. Hanno stimato che ha espulso più di 60 elettroni.

Rivelare il perché

Mentre i ricercatori sapevano cosa era successo, non sapevano perché. Un atomo di iodio che perde due elettroni potrebbe provocare un numero enorme di possibili strutture elettroniche. Non solo l'atomo di iodio ha perso più di 50 elettroni, la sua struttura cambiava completamente dopo ogni perdita.

Per aiutare a spiegare questo processo, si sono rivolti ai loro colleghi di fisica teorica presso il Center for Free-Electron Laser Science in Germania. La modellazione ha rivelato che a intensità inferiori, sia l'atomo da solo che l'atomo all'interno della molecola assorbono solo pochi fotoni alla volta. Alla LCLS, la molecola ha assorbito fino a 20 fotoni, molto più di un atomo. Questo ha sovralimentato il sistema.

Scoprire che i raggi X possono influenzare fortemente gli atomi oltre a quello colpito direttamente dai raggi X ha mostrato che gli scienziati devono dare una seconda occhiata alle loro immagini. Nel futuro, il team prevede che saranno in grado di tracciare gli effetti dei raggi X su una particolare molecola. Proprio come gli occhiali da lettura regolano la vista di una persona lungimirante, gli scienziati saranno in grado di spiegare meglio l'influenza delle radiazioni sui loro risultati. Questa conoscenza li aiuterà a vedere un quadro più chiaro che mai.