Nowatorskie ultraszybkie techniki wykorzystujące promieniowanie rentgenowskie pozwolą na uchwycenie ruchów elektronów na poziomie cząsteczkowym
Życie nigdy nie jest statyczne i często jest bardziej aktywne i jaśniejsze, niż może się nam wydawać na pierwszy rzut oka – światło stanowi katalizator wielu spośród najważniejszych reakcji w chemii i biologii, a większość tych reakcji zachodzi w ultrakrótkich okresach czasu. Najlepiej ilustruje to nieuchwytna reakcja fotosyntezy, która odpowiada za podtrzymywanie życia roślin. Badacze skupiają się obecnie na zrozumieniu tak zwanej reakcji enzymatycznej fotoukładu II, która umożliwia roślinom rozbijanie cząsteczek wody na wodór i tlen w niezbadany dotychczas sposób. „Dokładniejsze zrozumienie tej reakcji umożliwiłoby realizację tego niezwykle sprawnego procesu przy użyciu sztucznych środków. Złożone układy cząsteczkowe, które pozwalają na magazynowanie energii światła podobnie jak ich naturalne odpowiedniki mogą doprowadzić pewnego dnia do powstania rozwiązania w zakresie magazynowania energii”, mówi główny badacz projektu, Franz Kaertner, który jako kierownik projektu AXSIS otrzymał dotację od Europejskiej Rady ds. Badań Naukowych (ERBN). Projekt może pomóc nam w lepszym zrozumieniu ultraszybkich reakcji chemicznych na światło dzięki innowacyjnym rozwiązaniom w zakresie kompaktowych źródeł promieniowania rentgenowskiego działającym w skali attosekundowej (jednej trylionowej części sekundy) oraz akceleratorów terahercowych.
Nauka oparta na ultraszybkich impulsach rentgenowskich umożliwi wizualizację procesów molekularnych
Naukowcy skupieni wokół projektu AXSIS wykorzystali krystalografię seryjną – nowatorską technikę wykorzystującą promieniowanie rentgenowskie – w celu badania struktury pojedynczych mikrokryształów. Technika ta może umożliwić nam lepsze zrozumieniu struktury i funkcji na poziomach atomowym i cząsteczkowym, ponieważ pozwala naukowcom na uzyskanie pełnych opisów ultraszybkich procesów atomowych w przestrzeni rzeczywistej, a także w przestrzeni energii elektronowej. Metoda ta opiera się na wykorzystywaniu opartego na odwrotnym rozpraszaniu komptonowskim koherentnego źródła promieniowania rentgenowskiego opartego na swobodnych elektronach, działającego w skali attosekundowej, skierowanego na kryształ. Główny problem związany ze stosowaniem tej techniki polega na tym, że pomiędzy uzyskaniem dobrej jakości danych i nadmiernym uszkodzeniem kryształów w wyniku promieniowania istnieje bardzo cienka granica. Konwencjonalna seryjna krystalografia femtosekundowa opiera się na zasadzie, że obrazowanie jest ważniejsze niż niszczenie. Lasery rentgenowskie na swobodnych elektronach emitują intensywne impulsy o czasie trwania mierzonym w femtosekundach, które pozwalają na uzyskanie danych dotyczących dyfrakcji w wysokiej rozdzielczości, zanim cząsteczka zostanie zniszczona przez promieniowanie. „Attosekundowe impulsy generowane ze źródeł C-ICS zapewniają dodatkowe korzyści, ponieważ mogą być znacznie szybsze niż uszkodzenia stanów elektronowych cząsteczek, które występują w znacznie krótszym czasie”, wyjaśnia Petra Fromme, jedna z uczestniczek projektu. „Przełomowe możliwości w zakresie doświadczeń, które otwierają przed nami techniki dyfrakcji rentgenowskiej i spektroskopii attosekundowej, pozwolą nam na realizację największych marzeń biochemików – produkcję filmów molekularnych przedstawiających zmiany strukturalne i chemiczne zachodzące jednocześnie w złożonych reakcjach biochemicznych”, dodaje Kaertner. Wysoka częstotliwość impulsów promieniowania rentgenowskiego powinna ostatecznie umożliwić naukowcom odkrycie mechanizmów umożliwiających występowanie reakcji ultraszybkiej absorpcji światła i przenoszenia energii wzbudzenia w ramach procesu fotosyntezie w odpowiednich ramach czasowych i przestrzennych. Dotychczas ultrakrótkie impulsy mogły być wytwarzane wyłącznie przy pomocy niezwykle drogiego sprzętu zajmującego dużo miejsca. Co pozwoliło naukowcom na opracowanie tego kompaktowego źródła promieniowania rentgenowskiego wytwarzającego attosekundowe impulsy?
Technologie terahercowe pozwalają na miniaturyzację akceleratorów cząsteczek
Zespół projektu AXIS buduje pierwszy prototyp miniaturowego akceleratora cząsteczek wykorzystującego promieniowanie terahercowe. Długość fali promieniowania terahercowego jest znacznie krótsza niż długość fal radiowych wykorzystywanych do przyspieszania cząsteczek w istniejących akceleratorach. Oznacza to między innymi możliwość budowania poszczególnych elementów składowych akceleratora w mniejszej skali. Wykorzystując nieliniowe procesy optyczne, naukowcom udało się wytworzyć terahercowe fale elektromagnetyczne przy pomocy energetycznych impulsów laserowych. Na potrzeby prototypowego rozwiązania, naukowcy wypuszczali szybkie elektrony z wyrzutni elektronów w obrębie mikrostrukturalnego modułu akceleratora liniowego. Następnie elektrony były dalej przyspieszane przez promieniowanie terahercowe doprowadzane do modułu. Nowoczesny laser zastosowany w ramach rozwiązania wykorzystywał impulsy terahercowe z energią mierzoną w milidżulach, co stanowi rekordową wartość w przypadku tej techniki. Ze względu na fakt, że generowane impulsy są niezwykle krótkie, osiągają one szczytową jasność porównywalną z tymi wytwarzanymi przez dużo większe urządzenia, nawet pomimo tego, że każdy impuls niesie ze sobą znacznie mniejszą energię. „Dzięki tym niezwykle krótkim i jasnym impulsom chcemy uzyskać nową wiedzę na temat bardzo szybkich procesów chemicznych, w wyniku których rośliny i niektóre bakterie wytwarzają własne węglowodany”, podsumowuje Kaertner.
Słowa kluczowe
AXSIS, rentgenowskie, attosekunda, teraherc, fotosynteza, koherentne odwrotne rozpraszanie komptonowskie (C-ICS), akcelerator cząsteczek, krystalografia femtosekundowa
