En lisant ces mots, vos yeux vous permettent de voir chaque lettre et les espaces entre elles. Mais si vous avez besoin de lunettes de lecture, les lettres peuvent être floues ou incompréhensibles. Les scientifiques sont confrontés à un défi similaire. Pour collecter les bonnes données, il faut disposer d'outils capables de fournir des informations précises, mesures complètes. Après tout, les scientifiques veulent avoir la vue la plus claire possible.

Le physicien Artem Rudenko de l'Université d'État du Kansas et ses collègues ont réfléchi à la manière d'améliorer les images de virus et de microparticules que les scientifiques obtiennent à partir des rayons X. Pour creuser le problème, ils ont tiré sur le laser à rayons X le plus puissant au monde, situé dans la source de lumière cohérente Linac (LCLS) du ministère de l'Énergie (DOE), sur une série d'atomes et de molécules.

Pouvons-nous faire confiance à ce que nous voyons ?

Les scientifiques utilisent régulièrement des sources lumineuses à rayons X pour prendre des photos et des vidéos de processus et d'objets biologiques et chimiques. Par exemple, une étude récente au LCLS a examiné comment les antibiotiques et les parties du corps qui produisent des protéines interagissent.

Mais comme les yeux d'une personne prévoyante, ces instruments peuvent affecter la perception des scientifiques. En moins de temps qu'il n'en faut à la lumière pour parcourir un millimètre, la radiographie efface l'échantillon. Mais les rayons X endommagent l'échantillon bien avant qu'il ne soit annihilé, même pendant que les scientifiques tentent de capturer leurs images.

Cela signifie que les images capturées sont d'un échantillon endommagé, pas l'original. Cela peut fausser les données et la façon dont les scientifiques les interprètent.

Les scientifiques ont fait pas mal de travail pour étudier les effets des rayons X « mous » à basse énergie. Ils ont conclu que les images des rayons X mous fournissaient une bonne reproduction des structures d'origine malgré les dommages.

Mais la plupart des recherches en imagerie utilisent des rayons X « durs » à plus haute énergie, car ils fournissent souvent plus de détails. Les scientifiques disposaient de moins de données sur les dommages causés par les rayons X durs très intenses. Ils n'avaient pas d'équivalent à une carte oculaire pour estimer l'étendue du problème ou ce qui pourrait devoir être ajusté. Rudenko et ses collègues visaient à changer cela.

Le seul endroit au monde

Il était évident où ils devaient aller :le LCLS.

"C'était le seul endroit au monde où nous pouvions concentrer cette [quantité] de lumière, " dit Rudenko.

L'équipe a examiné comment les rayons X affectent les atomes lourds avec beaucoup de protons, neutrons, et des électrons. De nombreux atomes lourds jouent des fonctions importantes dans les réactions biologiques, comme le rôle de l'iode dans la production d'hormones. Parce que les atomes lourds interagissent plus avec les rayons X que les rayons légers, les scientifiques utilisent souvent des atomes lourds pour obtenir des images plus claires.

Comme tout le monde, l'équipe a dû concourir pour le temps au LCLS, une installation utilisateur Office of Science hébergée par le laboratoire national d'accélérateurs SLAC du DOE. Ils ont réécrit et soumis à nouveau leur proposition trois fois avant qu'elle ne soit acceptée. Par rapport à la recherche médicale, c'était une vente difficile. "Nous voulions juste faire exploser une molécule, " a déclaré Daniel Rolles, professeur assistant à la Kansas State University. "Notre argument était, 'Hé regarde, vous ne pouvez comprendre ce que vous faites que si vous nous laissez d'abord faire notre travail.'"

Le moment de vérité

Il était enfin temps d'allumer la radiographie.

"C'était juste tous les boutons à droite, ", a déclaré Rolles. "Nous avons pratiquement tout mis en œuvre en termes d'intensité."

D'abord, ils ont frappé un atome de xénon avec la pleine puissance du LCLS.

Cette réaction s'est déroulée comme prévu. Les électrons ionisés aux rayons X proches du noyau, les faire sauter hors de l'atome. Au fur et à mesure que les espaces les plus proches se vidaient, les électrons plus éloignés se sont déplacés vers l'intérieur. Ensuite, les nouveaux électrons sont devenus énergisés et ont également zoomé hors de l'atome. En un millionième de milliardième de seconde, ce processus s'est répété jusqu'à ce qu'il ne reste que quelques électrons. Globalement, un seul atome de xénon a éjecté 48 de ses 54 électrons.

Satisfait, l'équipe a refait toute l'expérience. Cette fois, ils ont pointé le rayon X sur un atome d'iode entouré de quelques autres dans une molécule.

C'est alors que les choses sont devenues bizarres.

"Il était clair qu'il se passait quelque chose dans ces conditions expérimentales que nous n'avions vu nulle part ailleurs, donc c'était très excitant, " dit Rebecca Boll, un scientifique de l'étude qui travaille à l'installation européenne de laser à électrons libres à rayons X.

L'équipe s'attendait à ce que l'iode s'éjecte, aspirer, puis éjecter plus d'électrons comme le xénon l'a fait. Mais quand l'iode a manqué d'électrons, ça ne s'est pas arrêté. Au lieu, l'iode a absorbé les électrons des atomes de carbone et d'hydrogène environnants. Après avoir éjecté 47 de ses propres électrons, il en a parcouru sept autres. À la fin, l'iode a fondamentalement modifié les structures électroniques du carbone et de l'hydrogène.

L'équipe voulait voir si la même chose se produirait avec une molécule plus grosse. Coller une autre molécule contenant de l'iode sous le rayon X, ils l'ont regardé cracher tellement de fragments qu'il était difficile d'en garder la trace. Ils ont estimé qu'il avait éjecté plus de 60 électrons.

Révéler le pourquoi

Alors que les chercheurs savaient ce qui s'était passé, ils ne savaient pas pourquoi. Un atome d'iode perdant deux électrons pourrait entraîner un grand nombre de structures électroniques possibles. Non seulement l'atome d'iode a perdu plus de 50 électrons, sa structure a complètement changé après chaque perte.

Pour aider à expliquer ce processus, ils se sont tournés vers leurs collègues en physique théorique du Center for Free-Electron Laser Science en Allemagne. La modélisation a révélé que sous des intensités plus faibles, l'atome lui-même et l'atome dans la molécule n'absorbent que quelques photons à la fois. Au LCLS, la molécule a absorbé jusqu'à 20 photons, bien plus qu'un atome. Cela a surchargé le système.

Découvrir que les rayons X peuvent fortement affecter les atomes en plus de celui directement touché par les rayons X a montré que les scientifiques doivent revoir leurs images. À l'avenir, l'équipe prédit qu'ils seront en mesure de tracer les effets d'un rayon X sur une molécule particulière. Tout comme les lunettes de lecture ajustent la vue d'une personne hypermétrope, les scientifiques pourront mieux prendre en compte l'influence des rayonnements sur leurs résultats. Cette connaissance les aidera à voir une image plus claire que jamais.