Utilizzando una combinazione di dati sperimentali e computazionali, i ricercatori scoprono percorsi per ottimizzare gli impulsi provenienti da fasci di raggi X ad alta intensità.

Gli scienziati hanno a lungo perseguito la capacità di vedere la struttura di un singolo, molecola in forma libera a risoluzione atomica, quello che molti chiamano il "Santo Graal" dell'imaging. Un potenziale metodo consiste nel puntare estremamente corto, impulsi laser a elettroni liberi (XFEL) a raggi X ad alta intensità su un materiale campione. Ma questa tecnica di imaging ultraveloce distrugge anche il suo obiettivo, quindi il tempo è essenziale.

I ricercatori dell'Argonne National Laboratory del Dipartimento dell'Energia degli Stati Uniti (DOE) stanno portando avanti lo sforzo con una combinazione di esperimenti e simulazioni al computer, cercando di capire come gli impulsi XFEL interagiscono con i loro obiettivi. Recentemente, un team guidato dal gruppo Atomic Molecular Optical Physics di Argonne nella divisione Chemical Sciences and Engineering ha individuato un parametro importante e spesso ignorato che può influenzare i risultati degli esperimenti:il tempo. La loro carta, "Il ruolo delle risonanze transitorie per l'imaging ultrarapido di singoli nanocluster di saccarosio, " è stato recentemente pubblicato sulla rivista Comunicazioni sulla natura .

La capacità di esaminare le strutture 3D su scala atomica ci aiuta a comprendere meglio i virus, Per esempio, e consegnare la medicina al corpo in modo più efficace. Oggi, questo tipo di analisi richiede di mettere il materiale da studiare in forma cristallina. Le particelle biologiche sono fissate in questa forma non nativa in modo che quando un raggio X le colpisce, il raggio si disperde, creando un modello di diffrazione che può essere utilizzato per comprendere la struttura molecolare.

Ma molti tipi di sistemi biologici non cristallizzano molto bene, e i cristalli potrebbero essere troppo piccoli per generare un buon modello di diffrazione. Oppure la cristallizzazione potrebbe cambiare la struttura, impedendo la capacità di osservare una particella nel suo stato naturale. Per creare uno schema di dispersione senza cristallizzare il materiale è necessario un raggio superintenso come un XFEL, lampeggiava in raffiche incredibilmente veloci.

"Per questo tipo di esperimento, hai bisogno di impulsi molto intensi, che può distruggere il campione molto rapidamente, " ha detto Phay Ho, un fisico Argonne che ha co-autore del documento. "Con questo approccio, è necessario utilizzare impulsi molto brevi in ​​modo da poter raccogliere tutti i segnali di dispersione prima che il campione venga distrutto."

Questa corsa contro il tempo si misura in femtosecondi, uno dei quali equivale a un milionesimo di miliardesimo di secondo. Per studiare come diversi parametri possono influenzare il risultato di un esperimento XFEL, il team interdisciplinare di ricercatori ha studiato singoli nanocluster di saccarosio utilizzando la Linac Coherent Light Source (LCLS), un XFEL presso lo SLAC National Accelerator Laboratory della Stanford University.

"I cristalli che osservi in ​​una sorgente di luce basata su un anello di accumulo come l'Advanced Photon Source (APS) di Argonne, al contrario di un XFEL, hanno in genere una dimensione di circa 10 micron, "ha detto Linda Young, un Argonne Distinguished Fellow e coautore di articoli. "Le strutture che stiamo esaminando in questo studio sono almeno 200 volte più piccole, di dimensioni nanometriche".

I ricercatori hanno quindi confrontato i dati sperimentali con i calcoli eseguiti sul supercomputer Mira presso l'Argonne Leadership Computing Facility (ALCF). Ciò ha comportato un ampio insieme di simulazioni molecolari che hanno tracciato 42 milioni di particelle che interagiscono con un impulso XFEL, un lavoro per un supercomputer.

"Quando hai una macchina come Mira, puoi eseguire un gran numero di simulazioni, puoi farle tutte contemporaneamente, e puoi eseguirli nei tempi di cui avevamo bisogno per questo particolare studio, " ha detto Christopher Knight, uno scienziato computazionale con l'ALCF e la divisione di Scienze computazionali di Argonne, e coautore del documento.

Lo studio ha scoperto che quando si tratta di impulsi XFEL su saccarosio, più corto è meglio. Gli scienziati che cercano di amplificare i risultati dell'imaging potrebbero utilizzare una durata dell'impulso di 200 femtosecondi. Ma si scopre che 200 milionesimi di miliardesimo di secondo potrebbero essere troppo lenti.

"Se usi impulsi così lunghi, puoi effettivamente degradare sostanzialmente il tuo segnale, " Ho detto. "Per fare questo tipo di imaging, l'impulso dovrebbe durare solo pochi femtosecondi. È importante guardare non solo al numero di fotoni, ma il numero di fotoni per unità di tempo."

La modellazione al computer aiuterà i ricercatori a ottimizzare gli esperimenti futuri, azzerando i parametri che produrranno i migliori risultati.

"Non è facile ottenere il tempo del raggio per fare questi esperimenti, "Ho detto. "Questi dati saranno molto utili per capire le condizioni ottimali di impulso per provare dopo".