Lorsque des scientifiques du laboratoire national d'accélérateurs SLAC du ministère de l'Énergie ont concentré toute l'intensité du laser à rayons X le plus puissant au monde sur une petite molécule, ils ont eu une surprise :une seule impulsion laser a retiré tous les électrons du plus gros atome de la molécule, à l'exception de quelques-uns, de l'intérieur vers l'extérieur, laissant un vide qui a commencé à attirer des électrons du reste de la molécule, comme un trou noir engloutissant un disque de matière en spirale.

En 30 femtosecondes - millionièmes de milliardième de seconde - la molécule a perdu plus de 50 électrons, bien plus que les scientifiques ne l'avaient prévu sur la base d'expériences antérieures utilisant des faisceaux moins intenses, ou des atomes isolés. Puis ça a explosé.

Les résultats, publié aujourd'hui dans La nature , donner aux scientifiques les informations fondamentales dont ils ont besoin pour mieux planifier et interpréter les expériences en utilisant les impulsions de rayons X les plus intenses et les plus énergétiques du laser à électrons libres à rayons X Linac Coherent Light Source (LCLS) du SLAC. Les expériences qui nécessitent ces intensités ultra-élevées comprennent des tentatives d'imager des objets biologiques individuels, comme les virus et les bactéries, à haute résolution. Ils sont également utilisés pour étudier le comportement de la matière dans des conditions extrêmes, et mieux comprendre la dynamique de charge dans des molécules complexes pour des applications technologiques avancées.

"Pour tout type d'expérience que vous faites qui concentre des rayons X intenses sur un échantillon, vous voulez comprendre comment il réagit aux rayons X, " a déclaré Daniel Rolles de l'Université d'État du Kansas. " Cet article montre que nous pouvons comprendre et modéliser les dommages causés par les radiations dans les petites molécules, donc maintenant nous pouvons prédire quels dommages nous obtiendrons dans d'autres systèmes."

Comme concentrer le soleil sur une vignette

L'expérience, dirigé par Rolles et Artem Rudenko de l'État du Kansas, a eu lieu à l'instrument Coherent X-ray Imaging du LCLS. CXI délivre des rayons X avec les énergies les plus élevées possibles réalisables au LCLS, connu sous le nom de rayons X durs, et enregistre les données des échantillons juste avant que l'impulsion laser ne les détruise.

Quelle est l'intensité de ces impulsions de rayons X ?

"Ils sont environ cent fois plus intenses que ce que vous obtiendriez si vous concentriez toute la lumière du soleil qui frappe la surface de la Terre sur une vignette, ", a déclaré le scientifique et co-auteur du LCLS, Sébastien Boutet.

Les rayons X déclenchent des cascades d'électrons

Pour cette étude, les chercheurs ont utilisé des miroirs spéciaux pour focaliser le faisceau de rayons X sur un point d'un peu plus de 100 nanomètres de diamètre - environ un centième de la taille de celui utilisé dans la plupart des expériences CXI, et mille fois plus petit que la largeur d'un cheveu humain. Ils ont examiné trois types d'échantillons :des atomes de xénon individuels, qui ont chacun 54 électrons, et deux types de molécules qui contiennent chacune un seul atome d'iode, qui a 53 électrons.

Les atomes lourds autour de cette taille sont importants dans les réactions biochimiques, et les chercheurs les ajoutent parfois aux échantillons biologiques pour améliorer le contraste pour les applications d'imagerie et de cristallographie. Mais jusqu'à maintenant, personne n'avait étudié comment le faisceau CXI ultra-intense affecte les molécules avec des atomes aussi lourds.

L'équipe a réglé l'énergie des impulsions CXI afin qu'elles retirent sélectivement les électrons les plus internes des atomes de xénon ou d'iode, créant des « atomes creux ». Sur la base d'études antérieures avec des rayons X moins énergétiques, ils pensaient que des cascades d'électrons provenant des parties externes de l'atome tomberaient pour combler les lacunes, seulement pour être expulsés eux-mêmes par des rayons X ultérieurs. Cela ne laisserait que quelques-uns des électrons les plus étroitement liés. Et, En réalité, c'est ce qui s'est passé dans les atomes de xénon autonomes et les atomes d'iode dans les molécules.

Mais dans les molécules, le processus ne s'est pas arrêté là. L'atome d'iode, qui avait une forte charge positive après avoir perdu la plupart de ses électrons, a continué à aspirer les électrons des atomes de carbone et d'hydrogène voisins, et ces électrons ont également été éjectés, un par un.

Plutôt que de perdre 47 électrons, comme ce serait le cas pour un atome d'iode isolé, l'iode dans la plus petite molécule a perdu 54, y compris ceux qu'il a arrachés à ses voisins - un niveau de dommages et de perturbations qui est non seulement plus élevé que ce à quoi on pourrait normalement s'attendre, mais de nature sensiblement différente.

Les résultats alimentent la théorie pour améliorer les expériences

"Nous pensons que l'effet était encore plus important dans la plus grosse molécule que dans la plus petite, mais on ne sait pas encore le quantifier, " Rudenko a déclaré. "Nous estimons que plus de 60 électrons ont été expulsés, mais nous ne savons pas vraiment où il s'est arrêté car nous n'avons pas pu détecter tous les fragments qui se sont envolés lorsque la molécule s'est effondrée pour voir combien d'électrons manquaient. C'est l'une des questions ouvertes que nous devons étudier."

Pour les données analysées à ce jour, le modèle théorique a fourni un excellent accord avec le comportement observé, donner l'assurance que des systèmes plus complexes peuvent désormais être étudiés, a déclaré le directeur du LCLS, Mike Dunne. « Cela présente des avantages importants pour les scientifiques souhaitant obtenir les images de la plus haute résolution de molécules biologiques (par exemple, pour éclairer le développement de meilleurs produits pharmaceutiques). Ces expériences guident également le développement d'un instrument de nouvelle génération pour le projet de mise à niveau du LCLS-II, ce qui fournira un bond de capacité majeur en raison de l'augmentation du taux de répétition de 120 impulsions par seconde à 1 million."