L'acqua è un ingrediente essenziale per la vita come la conosciamo, costituiscono più della metà del corpo umano adulto e fino al 90 percento di altri esseri viventi. Ma gli scienziati che cercano di esaminare piccoli campioni biologici con determinate lunghezze d'onda della luce non sono stati in grado di osservarli nel loro naturale, ambienti acquosi perché l'acqua assorbe troppa luce.

Ora c'è un modo per aggirare questo problema:un team guidato da scienziati del Dipartimento dell'Energia del SLAC National Accelerator Laboratory ha trasformato minuscoli getti di liquido che trasportano campioni nel percorso di un raggio di raggi X in sottili, fogli a scorrimento libero, 100 volte più sottile di qualsiasi prodotto prima. Sono così sottili che i raggi X li attraversano senza impedimenti, quindi le immagini dei campioni che portano risultano chiare.

Il nuovo metodo apre nuove finestre sui processi critici in chimica, fisica e biologia, compresa la natura dell'acqua stessa, i ricercatori hanno detto in un rapporto del 10 aprile in Comunicazioni sulla natura .

Il metodo è stato sviluppato presso il laser a elettroni liberi a raggi X di SLAC, la sorgente luminosa coerente Linac (LCLS), ma hanno detto che può funzionare anche in esperimenti con sorgenti di luce di sincrotrone, laser da tavolo e fasci di elettroni.

"Questo apre possibilità in molti campi, " ha detto lo scienziato dello staff SLAC Jake Koralek, che ha guidato la ricerca con Daniel DePonte, capo del dipartimento LCLS Sample Environment.

"Fino ad ora, non siamo stati in grado di esaminare campioni sospesi in acqua con due tipi di luce:infrarossi e "morbida", raggi X a bassa energia - che sono importanti per creare immagini e utilizzare la spettroscopia per studiare i processi di base in fisica, chimica e biologia, compresa la fisica dell'acqua, " disse Koralek.

"Il nuovo ugello che abbiamo sviluppato, che può creare strati fluidi di liquido dello spessore di appena 100 molecole d'acqua che persistono per giorni nel vuoto, risolve quel problema. I fogli possono anche essere utilizzati per l'immagine di campioni con fasci di elettroni che risolvono dettagli ancora più piccoli".

Modellare il liquido con il gas

L'ugello è un minuscolo chip di vetro con tre canali microscopici. Un flusso di liquido scorre attraverso il canale centrale, modellato da flussi di gas provenienti dai canali su entrambi i lati. Questo particolare ugello è stato realizzato con fotolitografia, una tecnica utilizzata per fabbricare chip per computer, ma potrebbe anche essere realizzato con la stampa 3D, hanno notato i ricercatori.

Mentre gli scienziati aumentano la velocità del flusso di gas, il flusso di liquido si diffonde in una serie di fogli la cui larghezza e spessore possono essere controllati con precisione. Il foglio più vicino all'ugello è il più largo e sottile; più si allontanano dall'ugello, più le lastre diventano strette e spesse fino a quando alla fine si fondono in un flusso cilindrico.

Le lenzuola brillano come bolle di sapone in una varietà di colori, il risultato della luce che si riflette sia sulla superficie anteriore che su quella posteriore della lastra. E proprio come le curve di livello su una mappa topografica segnano le differenze di elevazione, la tonalità e la spaziatura delle fasce di colore in continua evoluzione di un foglio indicano quanto è spesso e quanto cambia lo spessore da un punto all'altro.

"È un design molto flessibile e affidabile per creare fogli liquidi sia ultrasottili che leggermente più spessi, che può essere desiderabile per alcune applicazioni", ha affermato Linda Young, un illustre membro dell'Argonne National Laboratory del DOE e professore all'Università di Chicago che non è stato coinvolto nello studio.

Ha detto che utilizzerà l'ugello per creare strati d'acqua leggermente più spessi per uno studio LCLS su come si comportano le molecole d'acqua dopo che uno dei loro elettroni è stato strappato via. Queste molecole di acqua ionizzata persistono solo per poche centinaia di femtosecondi, o milioni di miliardesimo di secondo, e "i raggi X forniscono un modo completamente nuovo e pulito per monitorare la loro risposta elettronica nel loro ambiente naturale, ecco perché ne siamo entusiasti, " ha detto il giovane.

Un nuovo modo di studiare le forme estreme dell'acqua

I fogli liquidi sono già stati utilizzati in esperimenti che esplorano le proprietà dell'acqua in ambienti estremi come quelli dei pianeti giganti, ha detto il co-autore Siegfried Glenzer, un professore dello SLAC e capo della divisione di scienze ad alta densità energetica del laboratorio.

Questi esperimenti sono stati eseguiti con il laser a elettroni liberi FLASH presso il Deutsches Elektronen-Synchrotron (DESY) in Germania. I ricercatori hanno utilizzato impulsi a raggi X per riscaldare i fogli liquidi a migliaia di gradi per simulare l'estremamente caldo, forma densa di acqua presente in pianeti giganti come Giove. Quindi hanno misurato la riflettività e la conduttività dell'acqua super calda con impulsi laser ottici nell'istante prima che l'acqua evaporasse. Queste misurazioni possono essere effettuate solo su uno specchio d'acqua piatto.

"Ci sono molti misteri in quei grandi pianeti e sono importanti per comprendere l'evoluzione del nostro sistema planetario e di altri, " ha detto Glenzer. "Questo è un bellissimo strumento per studiare l'acqua stessa, e in futuro studieremo anche altri materiali che potremo mischiarci dentro."

Il team ha misurato lo spessore dei fogli con un raggio di luce infrarossa presso l'Advanced Light Source presso il Lawrence Berkeley National Laboratory del DOE, e ha anche dimostrato che i fogli potrebbero essere utilizzati per la spettroscopia infrarossa, dove la luce assorbita da un materiale rivela la sua composizione chimica.