(Phys.org) —Gli scienziati dello SLAC hanno fatto esplodere "buckyballs" - molecole di carbonio a forma di pallone da calcio - con un laser a raggi X per capire come si separano. I risultati, dicono, aiuterà gli studi biologici migliorando l'analisi delle immagini a raggi X di minuscoli virus, singole proteine ​​e altre importanti biomolecole.

L'esperimento è stato condotto presso il laser a raggi X Linac Coherent Light Source (LCLS) di SLAC, una struttura utente DOE Office of Science, e i risultati appaiono nel numero del 27 giugno di Comunicazioni sulla natura .

"È una specie di Catch-22:è necessario che la messa a fuoco del laser a raggi X sia estremamente intensa e luminosa per ottenere una buona immagine, "dice Nora Berrah, un fisico sperimentale presso l'Università del Connecticut. "Ma i raggi X innescano anche danni e movimenti inaspettatamente rapidi e sostanziali negli atomi, risultante in un'immagine sfocata." Berrah ha condotto la ricerca con Robin Santra, un teorico del Center for Free-Electron Laser Science presso il laboratorio DESY in Germania.

Poiché i buckyball sono composti interamente di carbonio - la spina dorsale di tutta la vita sulla Terra - sono un buon sostituto per le molecole biologiche, molti dei quali hanno anche forti legami atomici. Hanno il loro nome formale, "buckminsterfullerene, " per la loro somiglianza con le cupole geodetiche inventate da R. Buckminster Fuller.

Entro 20 femtosecondi, o quadrilionesimi di secondo, dopo essere stato colpito dai raggi X LCLS, gli atomi nei buckyball si sono allontanati e hanno percorso una distanza circa 10 volte più lunga del loro diametro, hanno riferito i ricercatori.

"I raggi X luminosi espellono un gran numero di elettroni dalla molecola, i suoi atomi si caricano sempre più positivamente, e la repulsione elettrica fa finalmente esplodere la molecola, " disse Berra.

Proprio come gli oggetti in rapido movimento possono sfocare le fotografie convenzionali, le alte velocità degli atomi e degli elettroni fluttuanti in una molecola che esplode possono oscurare le immagini a raggi X, quindi il modo migliore per osservare una molecola nel suo stato intatto è usare il più breve, impulsi più luminosi disponibili presso LCLS per scattare immagini prima che si verifichino danni.

Inoltre, modellare i dettagli del danno può aiutare i ricercatori a trovare i tempi e le tecniche migliori per acquisire immagini accurate che mappano la struttura 3D e altre proprietà dei campioni.

In LCLS, i ricercatori hanno utilizzato un forno specializzato per creare un sottile fascio di gas di buckyball che è passato nel percorso degli impulsi a raggi X LCLS. Hanno variato l'energia e la lunghezza degli impulsi LCLS e hanno usato uno spettrometro specializzato, sviluppato in Svezia, per misurare frammenti carichi delle molecole nelle esplosioni guidate dai raggi X e nelle loro conseguenze.

In media, circa 180 particelle di luce, chiamati fotoni, è entrato in ogni buckyball colpito da un impulso LCLS, e in alcuni casi hanno strappato tutti gli elettroni dagli atomi di carbonio mentre facevano saltare la molecola.

Poi i pezzi di buckyball altamente caricati, conosciuti come ioni, formarono minuscoli plasmi e iniziarono a richiamare verso di loro gli elettroni fluttuanti, un processo noto come "ionizzazione secondaria".

Senza esperimenti, sviluppo di modelli che simulano e prevedono il comportamento di grandi, molecole complesse è impegnativo anche con computer potenti, Berrah ha notato. L'esperimento alla LCLS è stato fondamentale per aiutare a costruire e convalidare un nuovo modello teorico per spiegare come si comportano i buckyball in condizioni di estrema intensità dei raggi X.

"La cosa più importante, infatti, sono gli effetti di ionizzazione secondaria che sono stati spiegati dal modello, che abbiamo convalidato, " ha spiegato Berrah. "Questi effetti sono stati più forti e sono durati più a lungo del previsto".

Gli scienziati hanno confrontato i detriti dell'esplosione molecolare con una simulazione sviluppata dallo scienziato DESY Zoltan Jurek di CFEL. "Tali strumenti di simulazione sono stati originariamente sviluppati per cose come liquidi e polimeri che sono all'equilibrio o quasi, non per le alte energie e le forti forze che vediamo qui, " spiega Jurek. "Nessuno sapeva se avrebbe funzionato davvero".

Berra ha detto, "Avevamo bisogno dei dati sperimentali per costruire e sviluppare il modello. Allo stesso tempo, questo potente modello ci ha permesso di interpretare i dati. Si tratta di una pietra miliare importante per l'indagine su individui, biomolecole complesse come le proteine ​​con laser come LCLS."