Crean un “agujero negro” tamaño molecular

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Crean un “agujero negro” tamaño molecular

Gracias al laser más potente de todo el mundo de rayos X, Los científicos de varios institutos de todo el mundo han llevado a cabo experimentos con moléculas y este poderoso rayo concentrado para poder realizar imágenes en alta resolución de moléculas y virus  complejos; el rayo desmonta electrón a electrón las moléculas y virus.




Es tan potente que supera unas cien veces la potencia que obtendrían si enfocamos toda la luz del sol que golpea la superficie de la Tierra en un pequeño punto.

 

Los resultados de este experimento, mostraron un sorprendente efecto a escala atómica. Los investigadores vieron que un solo pulso del láser despojó a todos menos unos pocos electrones del átomo más grande de la molécula, dejando un vacío que comenzó a extraer electrones del resto de la molécula, como un agujero negro engullendo un disco en espiral de materia. Dentro de 30 femtosegundos – millonésimas de una milmillonésima de segundo – la molécula perdió más de 50 electrones, mucho más de lo que los científicos esperaban basándose en experimentos anteriores usando haces menos intensos o átomos aislados.

“La clave de este experimento fue poder enfocar las radiografías duras a un lugar muy pequeño”, dijo la científica, Linda Young, principal autora del estudio. “Al concentrar los rayos X en un solo átomo en una molécula, podemos ver e incluso predecir – a una escala de tiempo muy rápida – el movimiento de electrones entre los diferentes átomos de la molécula y rastrear comportamientos inusuales”.

 

“Este artículo muestra que podemos entender y modelar el daño de radiación en pequeñas moléculas, así que ahora podemos predecir qué daño obtendremos en otros sistemas”, agregó Daniel Rolles de la Universidad Estatal de Kansas, otro autor del estudio.

El mismo equipo de científicos anteriormente en 2010 realizo experimentos similares, la diferencia es que este último experimento fue unas 100 veces más potente que el pasado, este tipo de experimentos se utilizan para poder visualizar algunos efectos de la materia y conocer más a fondo la estructura y comportamiento bajo ciertas circunstancias.

El experimento se realizó con el instrumento Coherent X-ray Imaging (CXI) de LCLS. CXI proporciona rayos X con las máximas intensidades posibles alcanzables en LCLS y registra los datos de muestras en el instante antes de que el pulso láser los destruya.



El instrumento enfoca el has del láser mediante unos lentes y espejos especiales en un área no mayor a 100 nanómetros de diámetro y Examinaron tres tipos de muestras: átomos individuales de xenón, que tienen 54 electrones cada uno, y dos tipos de moléculas que contienen un solo átomo de yodo, que tiene 53 electrones.

Los científicos centraron la energía para que solo despojara los electrones más próximos al núcleo del átomo de xenón y crear “átomos huecos” Basados ​​en estudios anteriores con rayos X menos energéticos, pensaban que los electrones de las partes externas del átomo caían para llenar los espacios vacíos, sólo para ser expulsadas por rayos X subsiguientes. Eso dejaría sólo algunos de los electrones más estrechamente unidos. Y, de hecho, eso es lo que sucedió tanto en los átomos independientes de xenón como en los átomos de yodo en las moléculas.

Pero en las moléculas, el proceso no se detuvo allí. El átomo de yodo, que tenía una fuerte carga positiva después de perder la mayor parte de sus electrones, continuó absorbiendo electrones de átomos de carbono y de hidrógeno vecinos, y esos electrones también fueron expulsados, uno por uno.

En lugar de perder 47 electrones, como sería el caso de un átomo de yodo aislado, el yodo en la molécula más pequeña perdió 54, incluyendo los que agarró de sus vecinos – un nivel de daño y la interrupción que no sólo es más alto de lo que normalmente se espera, Pero significativamente diferente en naturaleza.
Los resultados alimentan la teoría para mejorar los experimentos




“Creemos que el efecto fue aún más importante en la molécula más grande que en la más pequeña, pero aún no sabemos cuantificarla”, dijo Rudenko. “Estimamos que más de 60 electrones fueron expulsados, pero en realidad no sabemos dónde paró porque no pudimos detectar todos los fragmentos que volaron cuando la molécula se desintegró para ver cuántos electrones faltaban”.

Dijo el director de LCLS, Mike Dunne. “Esto tiene importantes beneficios para los científicos que desean lograr imágenes de moléculas biológicas de alta resolución para informar el desarrollo de mejores fármacos, por ejemplo”, dijo. “Estos experimentos también guiarán el desarrollo de un instrumento de próxima generación para el proyecto de mejora LCLS-II, que proporcionará un gran salto en la capacidad debido al aumento en la tasa de repetición de 120 pulsos por segundo a 1 millón”.

https://www.nature.com/nature/journal/v546/n7656/full/nature22373.html

doi:10.1038/nature22373

Femtosecond response of polyatomic molecules to ultra-intense hard X-rays

 

  1. Rudenko, L. Inhester,        K. Hanasaki,       X. Li,      S. J. Robatjazi,   B. Erk,   R. Boll,  K. Toyota,           Y. Hao,  O. Vendrell,             C. Bomme,         E. Savelyev,       B. Rudek,            L. Foucar,            S. H. Southworth,           C. S. Lehmann,                B. Kraessig,        T. Marchenko,  M. Simon,           K. Ueda,              K. R. Ferguson, M. Bucher,         T. Gorkhover,                S. Carron,            R. Alonso-Mori,               J. E. Koglin,         J. Correa,            G. J. Williams,    S. Boutet,           L. Young,  C. Bostedt,         S.-K. Son,            R. Santra             & D. Rolles

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