Quando gli scienziati dello SLAC National Accelerator Laboratory del Dipartimento dell'Energia hanno concentrato l'intera intensità del laser a raggi X più potente del mondo su una piccola molecola, hanno avuto una sorpresa:un singolo impulso laser ha strappato dall'interno verso l'esterno tutti tranne pochi elettroni dall'atomo più grande della molecola, lasciando un vuoto che ha iniziato ad attirare elettroni dal resto della molecola, come un buco nero che divora un disco di materia a spirale.

In 30 femtosecondi - milionesimi di miliardesimo di secondo - la molecola ha perso più di 50 elettroni, molto più di quanto gli scienziati avessero previsto sulla base di esperimenti precedenti che utilizzavano fasci meno intensi, o atomi isolati. Poi è esploso.

I risultati, pubblicato oggi in Natura , fornire agli scienziati le conoscenze fondamentali di cui hanno bisogno per pianificare e interpretare meglio gli esperimenti utilizzando gli impulsi a raggi X più intensi ed energetici del laser a elettroni liberi a raggi X Linac Coherent Light Source (LCLS) di SLAC. Gli esperimenti che richiedono queste intensità ultraelevate includono tentativi di immagine di singoli oggetti biologici, come virus e batteri, ad alta risoluzione. Sono anche usati per studiare il comportamento della materia in condizioni estreme, e per comprendere meglio la dinamica di carica in molecole complesse per applicazioni tecnologiche avanzate.

"Per qualsiasi tipo di esperimento che concentri raggi X intensi su un campione, vuoi capire come reagisce ai raggi X, " ha affermato Daniel Rolles della Kansas State University. "Questo documento mostra che possiamo comprendere e modellare il danno da radiazioni in piccole molecole, quindi ora possiamo prevedere quali danni avremo in altri sistemi".

Come mettere a fuoco il sole su una miniatura

L'esperimento, guidato da Rolles e Artem Rudenko di Kansas State, ha avuto luogo presso lo strumento di imaging a raggi X coerente di LCLS. CXI fornisce raggi X con le più alte energie possibili ottenibili a LCLS, noti come raggi X duri, e registra i dati dai campioni nell'istante prima che l'impulso laser li distrugga.

Quanto sono intensi quegli impulsi a raggi X?

"Sono circa cento volte più intense di quelle che otterresti se concentrassi tutta la luce solare che colpisce la superficie terrestre su una miniatura, ", ha affermato lo scienziato e coautore dello staff di LCLS Sebastien Boutet.

I raggi X attivano le cascate di elettroni

Per questo studio, i ricercatori hanno utilizzato specchi speciali per focalizzare il raggio di raggi X in un punto di poco più di 100 nanometri di diametro - circa un centesimo delle dimensioni di quello utilizzato nella maggior parte degli esperimenti CXI, e mille volte più piccolo della larghezza di un capello umano. Hanno esaminato tre tipi di campioni:singoli atomi di xeno, che hanno 54 elettroni ciascuno, e due tipi di molecole che contengono ciascuna un singolo atomo di iodio, che ha 53 elettroni.

Gli atomi pesanti di queste dimensioni sono importanti nelle reazioni biochimiche, e i ricercatori a volte li aggiungono a campioni biologici per migliorare il contrasto per applicazioni di imaging e cristallografia. Ma fino ad ora, nessuno aveva studiato come il raggio CXI ultra-intenso influenzi le molecole con atomi così pesanti.

Il team ha sintonizzato l'energia degli impulsi CXI in modo da rimuovere selettivamente gli elettroni più interni dagli atomi di xeno o iodio, creando "atomi vuoti". Sulla base di studi precedenti con raggi X meno energetici, pensavano che cascate di elettroni dalle parti esterne dell'atomo sarebbero cadute per riempire i posti vacanti, solo per essere cacciati loro stessi dai raggi X successivi. Ciò lascerebbe solo alcuni degli elettroni più strettamente legati. E, infatti, questo è quello che è successo sia negli atomi di xeno indipendenti che negli atomi di iodio nelle molecole.

Ma nelle molecole il processo non si è fermato qui. L'atomo di iodio, che aveva una forte carica positiva dopo aver perso la maggior parte dei suoi elettroni, ha continuato ad aspirare elettroni dai vicini atomi di carbonio e idrogeno, e anche quegli elettroni furono espulsi, uno per uno.

Invece di perdere 47 elettroni, come nel caso di un atomo di iodio isolato, lo iodio nella molecola più piccola ha perso 54, compresi quelli che ha strappato ai suoi vicini:un livello di danni e disagi che non solo è più alto di quanto ci si aspetterebbe normalmente, ma di natura significativamente diversa.

I risultati alimentano la teoria per migliorare gli esperimenti

"Pensiamo che l'effetto fosse ancora più importante nella molecola più grande che in quella più piccola, ma non sappiamo ancora quantificarlo, " ha detto Rudenko. "Stimiamo che siano stati espulsi più di 60 elettroni, ma in realtà non sappiamo dove si è fermato perché non siamo riusciti a rilevare tutti i frammenti che sono volati via mentre la molecola si è sfaldata per vedere quanti elettroni mancavano. Questa è una delle questioni aperte che dobbiamo studiare".

Per i dati ad oggi analizzati, il modello teorico ha fornito un ottimo accordo con il comportamento osservato, fornendo fiducia che ora è possibile studiare sistemi più complessi, ha detto il direttore della LCLS Mike Dunne. "Ciò ha importanti vantaggi per gli scienziati che desiderano ottenere immagini con la più alta risoluzione di molecole biologiche (ad esempio, per informare lo sviluppo di prodotti farmaceutici migliori). Questi esperimenti guidano anche lo sviluppo di uno strumento di nuova generazione per il progetto di aggiornamento LCLS-II, che fornirà un importante salto di capacità grazie all'aumento della frequenza di ripetizione da 120 impulsi al secondo a 1 milione".