Los físicos de la Universidad Estatal de Kansas Daniel Rolls y Artem Rudenko y su estudiante graduado Xiang Li son parte de un equipo de investigación internacional que publicó el artículo «Explosión de Coulomb inducida por rayos X de imágenes complejas de partículas individuales» en Física de la naturalezaEs una revista mensual que publica trabajos de investigación en todos los campos de la física pura y aplicada.
El equipo utilizó el láser de rayos X más grande del mundo, el XFEL europeo, para tomar fotografías de moléculas complejas. Usando destellos de rayos X ultrabrillantes, los científicos pudieron capturar instantáneas de moléculas de yodopiridina en fase gaseosa con resolución atómica. En este proceso, las partículas se explotan con un láser de rayos X y la imagen se reconstruye a partir del corte.
En el método conocido como formación de imágenes de ráfaga de Coulomb, un pulso láser de rayos X muy corto y de alta intensidad corta muchos electrones de la molécula. Debido a la fuerte repulsión electrostática entre los átomos restantes cargados positivamente, la molécula explota en unos pocos femtosegundos: una millonésima de una billonésima de segundo, los átomos individuales divergen y son registrados por un detector.
«Nuestro grupo y muchos otros investigadores han estado haciendo experimentos similares con imágenes de la explosión de Coulomb durante un tiempo, pero nunca antes habíamos podido capturar imágenes tan claras y nítidas de una molécula relativamente grande usando esta técnica», dijo Rawls.
«Uno de los puntos clave aquí es que podemos ver todos los átomos de hidrógeno, que son difíciles de visualizar con técnicas más convencionales como los rayos X o la difracción de electrones», agrega Rudenko.
El trabajo, publicado en Nature Physics, es parte de un esfuerzo más amplio para desarrollar esta nueva tecnología de imágenes.
Recientemente, nuestra cooperación publicó un artículo estrechamente relacionado con Investigación de revisión físicaDirigidos por el estudiante graduado Xiang Li, demostramos que para moléculas algo más simples, incluso se puede capturar la estructura 3D completa”, dijo Rudenko.
Las imágenes son un paso importante hacia la grabación de películas moleculares, que los investigadores esperan usar en el futuro para monitorear los detalles de las reacciones bioquímicas, químicas y físicas en alta resolución.
“Ver cómo funciona esto tan bien con pulsos de rayos X muy cortos de un láser de electrones libres de rayos X como el XFEL europeo nos entusiasmó mucho con la posibilidad de películas moleculares de reacciones fotoquímicas en moléculas complejas que son un poco más emocionantes que diatomeas o triatomas simples, lo cual es conveniente para muchas aplicaciones tecnológicas”, dijo Rolls.
Esta comprensión es especialmente oportuna porque el Laboratorio Nacional SLAC en Stanford está a punto de comenzar una actualización de su láser de rayos X de alta tasa de repetición, el LCLS-2, este otoño, que entregará 1000 veces más pulsos por segundo que la versión actual. en uso hasta la fecha. La combinación de tasas de repetición increíblemente altas con la tecnología probada de imágenes de ráfagas de Coulomb promete revolucionar el campo de la «realización de películas» moleculares, lo que beneficiará a campos tecnológicos importantes como la conversión de energía solar, la fotocatálisis y la fotosíntesis artificial.
«Recientemente recibimos más de $ 1.1 millones en fondos de la Fundación Nacional de Ciencias para comprar un dispositivo láser de femtosegundo de 100 kHz de alta tasa de repetición para nuestro laboratorio aquí en K-State», dijo Rudenko. «Con este nuevo láser y las cosas que hemos aprendido sobre filmar la explosión de Coulomb, esperamos poder capturar películas similares aquí también».
Rolles y Rudenko trabajan en el Laboratorio JR Macdonald del Departamento de Física de K-State, uno de los centros más activos de física atómica, molecular y óptica de los Estados Unidos. Al igual que SLAC, el laboratorio está financiado por el Departamento de Energía de EE. UU. Li ahora trabaja en el Laboratorio Nacional de Aceleradores de SLAC.
El trabajo fue realizado por un gran equipo de investigación internacional dirigido por Rebecca Boll de European XFEL, que incluía investigadores de las universidades de Hamburgo, Frankfurt, Main, Kassel, la Universidad Jiao Tong en Shanghái, la Universidad Estatal de Kansas, los Institutos Max Planck de Medicina Research and Nuclear Physics, el Fritz Haber Institute of the Max Planck Society, Center American Accelerator SLAC, Hamburg Group of Excellence CUI: Advanced Imaging of Matter y Free Electron Laser Science Center en DESY, DESY y European XFEL.