Le "telecamere elettroniche" ad alta velocità possono rilevare piccoli movimenti molecolari in un materiale disperdendo un potente fascio di elettroni da un campione. Fino a poco tempo fa, i ricercatori avevano usato questa tecnica solo per studiare gas e solidi. Ma alcuni dei più importanti processi biologici e chimici, in particolare la conversione della luce in energia, avviene nelle molecole in una soluzione.

Ora, i ricercatori hanno applicato questa tecnica, diffrazione elettronica ultraveloce, alle molecole in campioni liquidi. Hanno sviluppato un metodo per creare getti di liquido spessi 100 nanometri, circa 1, 000 volte più sottili della larghezza di un capello umano, il che consente loro di ottenere schemi di diffrazione chiari dagli elettroni. Nel futuro, questo metodo potrebbe consentire loro di esplorare processi guidati dalla luce come la visione, catalisi, fotosintesi e danni al DNA causati dai raggi UV.

Il gruppo, che includeva ricercatori del Laboratorio nazionale dell'acceleratore SLAC del Dipartimento dell'energia, Stanford University e l'Università del Nebraska-Lincoln (UNL), hanno pubblicato i loro risultati su Structural Dynamics a marzo.

"Questa ricerca è un enorme passo avanti nel campo della diffrazione elettronica ultraveloce, "dice Xijie Wang, direttore dello strumento MeV-UED, che ha co-autore del documento. "Poter studiare i sistemi biologici e chimici nel loro ambiente naturale è uno strumento prezioso che apre una nuova finestra per il futuro".

Film in stop-motion

I getti di liquido sono stati a lungo utilizzati per fornire campioni a laser a raggi X come Linac Coherent Light Source (LCLS) di SLAC, fornendo preziose informazioni sui processi ultraveloci mentre si verificano nel loro ambiente naturale. La "fotocamera elettronica" ultraveloce di SLAC, " MeV-UED, utilizza fasci di elettroni ad alta energia per completare la gamma di informazioni strutturali raccolte presso LCLS.

Qui, gli scienziati iniziano eccitando un campione con la luce laser, dando il via ai processi che sperano di studiare. Quindi fanno esplodere il campione con un breve impulso di elettroni ad alta energia, misurato in milioni di elettronvolt (MeV), guardarsi dentro, generando istantanee della sua struttura atomica in movimento che possono essere messe insieme in un film in stop-motion dei cambiamenti strutturali indotti dalla luce nel campione.

Guardando nel caleidoscopio

Le minuscole lunghezze d'onda di questi elettroni ad alta energia consentono agli scienziati di scattare istantanee ad alta risoluzione, offrendo informazioni su processi come il trasferimento di protoni e la rottura del legame idrogeno che sono difficili da studiare con altri metodi. Ma l'applicazione di questa tecnica ai campioni liquidi si è rivelata impegnativa.

"Dal momento che gli elettroni non penetrano nei campioni con la stessa facilità dei raggi X, "dice Kathryn Ledbetter, uno studente laureato presso lo Stanford PULSE Institute che è stato coautore del documento, "l'applicazione di questa tecnica ai liquidi è stata una sfida di lunga data nel settore".

Se il campione è troppo spesso, gli elettroni possono rimanere bloccati e disperdersi più volte, producendo un mix selvaggio di modelli da cui è difficile raccogliere informazioni, come guardare attraverso un caleidoscopio. In questo nuovo studio, il team ha superato queste sfide attraverso l'uso di elettroni MeV e un getto di foglio liquido sottile accelerato da gas. Quando gli elettroni sfondano il getto, si disperdono una volta sola, producendo un modello pulito che è molto più facile da ricostruire. Il team ha anche progettato una camera che ospitava il getto di liquido e monitorava l'interazione tra il campione e il fascio di elettroni.

"Un altro strumento nella cassetta degli attrezzi ultraveloce"

Questo documento pone le basi per la prossima ricerca che indaga su questioni come cosa succede quando i legami idrogeno si rompono o quando le molecole assorbono le radiazioni UV. Come passo successivo, I ricercatori SLAC stanno aggiornando la struttura MeV-UED e sviluppando una nuova generazione di rivelatori di elettroni diretti che amplieranno notevolmente la portata scientifica di questa tecnica.

"Vorremmo che questo fosse un altro strumento nella cassetta degli attrezzi dei ricercatori che cercano di conoscere i liquidi e le reazioni guidate dalla luce, "dice Pedro Nunes, un ricercatore post-dottorato presso UNL che ha guidato la ricerca. "Vogliamo mostrare alla comunità che ciò che una volta si credeva inverosimile non solo è possibile, ma in grado di funzionare in modo abbastanza fluido da osservare i cambiamenti strutturali svolgersi in tempo reale".