Šioje animacijoje pavaizduotas bandinys prieš jo suirimą, sukeltą galingo rentgeno lazerio „Linac Coherent Light Source“ (LCLS).
Pirma pavaizduoti ilgesnės trukmės rentgeno spinduliai, kurie gali sunaikinti arba sugadinti tiriamus objektus, praeidami pro juos, todėl yra sudėtinga arba ir neįmanoma užfiksuoti aukštos kokybės vaizdų.
Po to pavaizduoti itin trumpi rentgeno spinduliuotės impulsai, kurių fotonai perskrodžia medžiagą, yra išsklaidomi ir patenka į imtuvą greičiau, nei įvyksta medžiagos suirimas, todėl leidžia užfiksuoti duomenis, reikalingus vaizdams generuoti dar prieš sugadinant mėginį, taip išsaugant nepažeistas dalelių, tokių kaip ląstelės ar virusai, struktūras. Iliustracija: Chris Smith / Olivier Bonin / SLAC National Accelerator Laboratory.
Ypač galingi rentgeno spindulių laisvųjų elektronų lazeriai, kaip „Linac“ koherentinis šviesos šaltinis (Linac Coherent Light Source , LCLS), esantis JAV Energetikos departamento Stanfordo Nacionalinėje greitintuvų laboratorijoje (SLAC National Accelerator Laboratory), sukuria intensyvius rentgeno impulsus, kurie leidžia tyrėjams pamatyti vidinę tokių biologinių objektų, kaip baltymai, sandarą. Tačiau šie galingi energijos pluoštai gali sunaikinti tokius mėginius arba juose sukelti pokyčius, kurie gali turėti įtakos eksperimento rezultatams ar juos ir visiškai pakeisti.
Norėdami to išvengti, mokslininkai naudoja metodą, vadinamą zondavimu prieš sunaikinimą, kuris leidžia jiems surinkti tikslią informaciją iš mėginių akimirksniu, kol jie dar nėra suskaidomi, ir leidžia atkurti vaizdus, kurie išsaugo informaciją apie biologinių dalelių, tokių kaip ląstelės, baltymai ir virusai, molekulinę struktūrą.
Tačiau iki šiol nebuvo aišku, kiek šiuo metodu galima pasitikėti matuojant elektronų elgseną, nes galingi rentgeno spinduliai gali paveikti elektronus daug greičiau nei sunkesnius atomus. Tai gali apriboti šios technologijos pritaikymą ultragreitiems cheminiams procesams, pavyzdžiui, tiems, kurie vyksta katalizės metu.
Dabar Nacionalinės greitintuvo laboratorijos mokslininkai atrado būdą, kaip sureguliuoti rentgeno spindulį taip, kad elektroninė medžiagos struktūra nebūtų pažeista, kol ji dar nėra išmatuota.
Tyrėjų komanda stebėjo, kaip elektronai elgėsi per kelias pirmąsias femtosekundes po to, kai geležies mėginys buvo apšviestas ir išgarintas intensyviais lazerio impulsais. Šių bandymų rezultatai, paskelbti žurnale „Scientific Reports“, rodo, kaip specifinės rentgeno spindulio savybės, tokios kaip impulso trukmė ir intensyvumas, gali paveikti atomo išorinių sluoksnių elektronus, kurie dalyvauja kuriant ir nutraukiant ryšius cheminių reakcijų metu.
Tyrimo rezultatai leis mokslininkams tiksliai sureguliuoti eksperimentus, kai vienas optinio diapazono lazerio impulsas inicijuoja reakciją mėginyje, o kitas – rentgeno lazerio impulsas iškart matuoja elektronų pertvarką. Keičiant laiką tarp optinio lazerio ir rentgeno lazerio impulsų, tyrėjai gali užfiksuoti seriją kadrų ir sujungti juos dinaminį vaizdą, leidžiantį tyrinėti šviesos aktyvuojamas chemines reakcijas.
Šioje iliustracijoje parodytas optinis lazerio impulsas (geltonas) ir rentgeno lazerio impulsas (šviesiai mėlynas), apšviečiantys mėginį. Mokslininkų sukurtas dviejų skirtingų tipų lazerių impulsų derinimo metodas, dar vadinamas sužadinto mėginio metodu (pump-probe) leis tiksliau fiksuoti ypač greitus reiškinius, vykstančius mėginyje.
Tyrėjų teigimu, šis tyrimas patvirtina tokius metodų, naudojamų jau pastaruosius kelerius metus, perspektyvą, ir leis atsakyti atsakant į klausimus, ar tyrimų rezultatai yra galiojantys, ar surinkti duomenis jau per pirmąsias kelias femtosekundes nėra iškraipomi intensyvių rentgeno impulsų poveikio.
Roberto Alonso-Mori et al. Femtosecond electronic structure response to high intensity XFEL pulses probed by iron X-ray emission spectroscopy, Scientific Reports (2020). DOI: 10.1038/s41598-020-74003-1