Utilizzando impulsi laser a raggi X, la struttura della materia può essere studiata con una precisione senza precedenti. Tuttavia, gli impulsi sono così violenti da distruggere il campione irradiato. Nonostante ciò, un team di fisici polacco-giapponese è appena riuscito a dimostrare che gli atomi del cristallo in esame reagiscono a una valanga di fotoni con un certo ritardo. La scoperta significa che, utilizzando impulsi laser sufficientemente brevi, sarà possibile visualizzare indisturbata una struttura della materia.

È possibile vedere reazioni chimiche di molecole complesse a risoluzione subatomica? Sembra di sì, ma solo con l'uso di laser a elettroni liberi (FEL). I laser di questo tipo sono in grado di generare impulsi di raggi X con qualità uniche:non solo sono ultracorti, misurati in singoli femtosecondi, ma contengono anche un gran numero di fotoni. Dopo aver irradiato un campione con un tale impulso, viene prodotta un'immagine di diffrazione, dalla quale i fisici possono tentare di ricostruire la struttura spaziale delle molecole. In questo approccio, tuttavia, si nasconde un problema molto serio.

"Quando irradiamo un campione con molti fotoni ad alta energia, i suoi atomi iniziano a interagire con la radiazione in modo così forte che il materiale viene distrutto. Quindi cosa vediamo nelle immagini di diffrazione registrate:la vera struttura del campione o piuttosto un immagine della sua distruzione?" chiede la prof. Beata Ziaja-Motyka dell'Istituto di Fisica Nucleare dell'Accademia Polacca delle Scienze (IFJ PAN) di Cracovia e del Centro per la ricerca sui laser a elettroni liberi (CFEL) del DESY di Amburgo.

Il Prof. Ziaja-Motyka è membro di un team internazionale di fisici sperimentali e teorici guidati dal Dr. Ichiro Inoue della struttura giapponese RIKEN SPring-8 Center FEL. Il gruppo studia da diversi anni l'interazione degli impulsi dei raggi X laser con la materia. Nel loro ultimo articolo, apparso in Physical Review Letters , gli scienziati presentano i risultati del lavoro su processi come questi nel caso di nanocristalli di corindone costituiti da atomi di ossigeno e alluminio. La parte sperimentale è stata effettuata utilizzando il laser a raggi X SACLA operante a Hyogo, in Giappone.

"Una caratteristica unica del nostro laser è la sua capacità di produrre impulsi di raggi X duri, cioè ad alta energia, che sono sia ultracorti che di alta intensità. Nella nostra ricerca con nanocristalli di corindone, abbiamo utilizzato impulsi che durano appena sei femtosecondi. I dati raccolti ci hanno permesso di stimare che gli atomi di cristallo iniziano a reagire al fascio di fotoni con un ritardo di 20 femtosecondi", afferma il dott. Inoue.

"I risultati sperimentali sono in ottimo accordo con le previsioni dei nostri modelli e simulazioni, dove compare anche un ritardo simile", afferma il Prof. Ziaja-Motyka, che, insieme al Dr. Victor Tkachenko (IFJ PAN), è stato coinvolto nella parte teorica descrizione e simulazioni dei fenomeni studiati. "Riteniamo che la ragione principale di questo ritardo sia il fatto che gli elettroni situati negli atomi intrappolati nei nodi del reticolo cristallino agiscono un po' come un paraurti e sono i primi a raccogliere l'impulso dell'impulso di raggi X", aggiunge il dottor Tkachenko.

La risposta ritardata degli atomi di ossigeno e alluminio nel corindone all'impulso dei raggi X risulta essere una conseguenza del successivo corso degli eventi. Quando i fotoni di alta energia entrano nel cristallo, trasmettono questa energia principalmente agli elettroni negli atomi incorporati nei nodi del reticolo cristallino. Come risultato di questa interazione, gli elettroni vengono espulsi in modo massiccio dagli atomi. A causa della significativa differenza di massa tra gli elettroni rilasciati e gli atomi ionizzanti, questi ultimi inizialmente non avvertono il rinculo. Tuttavia, gli atomi stessi, finora elettricamente inerti, diventano fortemente caricati elettricamente e iniziano a provare repulsione dai loro vicini carichi in modo simile. È questo processo che richiede circa 20 femtosecondi. In una fase ancora successiva, gli ioni guadagnano energia aggiuntiva attraverso le interazioni con gli elettroni accelerati. Il risultato finale è la distruzione del campione.

In passato, sistemi costituiti da atomi di diversi elementi sono già stati studiati con laser FEL a raggi X. Tuttavia, per irradiarli sono stati utilizzati impulsi con durate di 15-20 femtosecondi. Ora è noto che è proprio su una tale scala temporale che gli atomi nei sistemi iniziano a rispondere all'irradiazione a impulsi. Questo fatto significa che le immagini finora ottenute hanno rappresentato strutture già parzialmente disturbate dall'interazione con il raggio laser.

L'accordo dei tempi di reazione degli atomi nel nanocristallo di corindone a un impulso di raggi X, misurato nell'ultimo esperimento, con quelli previsti dalle simulazioni, consente di considerare ottimisticamente ulteriori tentativi di osservare altri sistemi più complessi, in particolare quelli contenenti luce elementi, che sono gli elementi costitutivi della materia vivente.

La struttura di semplici nanocristalli, come il corindone, è riproducibile. Le simmetrie esistenti facilitano l'esecuzione di osservazioni, l'analisi di immagini di diffrazione e la simulazione delle reazioni dei campioni agli impulsi laser. Sfortunatamente, molte strutture interessanti sono prive di simmetria. L'obiettivo di vasta portata del lavoro del team di fisici polacco-giapponese è quindi quello di sviluppare metodi e creare strumenti che consentano l'imaging e la simulazione di sistemi biologicamente rilevanti, come conglomerati proteici o singoli virus.

"Attualmente, i tempi di esecuzione delle simulazioni al computer rappresentano una sfida particolare. La mancanza di simmetria nei campioni di interesse biologico ci costringe a modellare sistemi di grandi dimensioni. I calcoli possono quindi richiedere molti mesi. Stiamo lavorando per ridurli a singole ore, il che accelererebbe promuovere la ricerca e facilitarne l'applicazione pratica", osserva il prof. Ziaja-Motyka. + Esplora ulteriormente

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