En utilisant une combinaison de données expérimentales et informatiques, les chercheurs découvrent des voies pour optimiser les impulsions de faisceaux de rayons X très intenses.

Les scientifiques ont longtemps recherché la capacité de voir la structure d'un seul, molécule de forme libre à résolution atomique, ce que beaucoup appellent le « Saint Graal » de l'imagerie. Une méthode potentielle consiste à viser extrêmement court, impulsions laser à électrons libres à rayons X très intenses (XFEL) sur un échantillon de matériau. Mais cette technique d'imagerie ultrarapide détruit aussi sa cible, le temps presse donc.

Des chercheurs du laboratoire national d'Argonne du département américain de l'Énergie (DOE) font avancer l'effort avec une combinaison d'expériences et de simulations informatiques, cherchant à comprendre comment les impulsions XFEL interagissent avec leurs cibles. Récemment, une équipe dirigée par le groupe de physique optique moléculaire atomique d'Argonne dans la division des sciences chimiques et de l'ingénierie a identifié un paramètre important et souvent ignoré qui peut influencer les résultats des expériences :le temps. Leur papier, "Le rôle des résonances transitoires pour l'imagerie ultra-rapide de nanoclusters de saccharose uniques, " a été récemment publié dans la revue Communication Nature .

La capacité d'examiner les structures 3D à l'échelle atomique nous aide à mieux comprendre les virus, par exemple, et délivrer des médicaments au corps plus efficacement. Aujourd'hui, ce type d'analyse nécessite de mettre le matériau à étudier sous forme cristalline. Les particules biologiques sont fixées sous cette forme non native de sorte que lorsqu'un rayon X les frappe, le faisceau se disperse, créer un motif de diffraction qui peut être utilisé pour comprendre la structure moléculaire.

Mais de nombreux types de systèmes biologiques ne cristallisent pas très bien, et les cristaux peuvent être trop petits pour générer un bon diagramme de diffraction. Ou la cristallisation pourrait changer la structure, empêchant la capacité d'observer une particule dans son état naturel. Pour créer un motif de dispersion sans cristalliser le matériau, il faut un faisceau superintense comme un XFEL, flashé dans des rafales incroyablement rapides.

« Pour ce type d'expérience, vous avez besoin d'impulsions très intenses, qui peut détruire l'échantillon très rapidement, " dit Phay Ho, un physicien d'Argonne qui a co-écrit l'article. « Avec cette approche, vous devez utiliser des impulsions très courtes pour pouvoir collecter tous les signaux de diffusion avant que l'échantillon ne soit détruit."

Cette course contre la montre se mesure en femtosecondes, dont l'un équivaut à un millionième de milliardième de seconde. Pour étudier comment différents paramètres peuvent affecter le résultat d'une expérience XFEL, l'équipe interdisciplinaire de chercheurs a étudié des nanoclusters uniques de saccharose à l'aide de la source de lumière cohérente Linac (LCLS), un XFEL au SLAC National Accelerator Laboratory de l'Université de Stanford.

"Les cristaux que vous observez à une source de lumière basée sur un anneau de stockage telle que la source de photons avancée (APS) d'Argonne, contrairement à un XFEL, ont généralement une taille d'environ 10 microns, " a déclaré Linda Young, un Argonne Distinguished Fellow et co-auteur de l'article. "Les structures que nous examinons dans cette étude sont au moins 200 fois plus petites - des nanomètres de taille."

Les chercheurs ont ensuite comparé les données expérimentales avec les calculs exécutés sur le supercalculateur Mira de l'Argonne Leadership Computing Facility (ALCF). Cela impliquait un grand ensemble de simulations moléculaires qui ont suivi 42 millions de particules interagissant avec une impulsion XFEL, un travail pour un superordinateur.

"Quand tu as une machine comme Mira, vous pouvez exécuter un grand nombre de simulations, vous pouvez les faire tous en même temps, et vous pouvez les exécuter sur les échelles de temps dont nous avions besoin pour cette étude particulière, " a déclaré Christopher Knight, informaticien à l'ALCF et à la division Computational Science d'Argonne, et co-auteur de l'article.

L'étude a révélé que lorsqu'il s'agit d'impulsions XFEL sur le saccharose, plus court c'est mieux. Les scientifiques cherchant à amplifier les résultats d'imagerie pourraient utiliser une longueur d'impulsion de 200 femtosecondes. Mais il s'avère que 200 millionièmes de milliardième de seconde pourrait être trop tranquille.

"Si vous utilisez des impulsions aussi longtemps, vous pouvez réellement dégrader considérablement votre signal, " Ho a dit. " Afin de faire ce type d'imagerie, l'impulsion ne devrait durer que quelques femtosecondes. Il est important de regarder non seulement le nombre de photons, mais le nombre de photons par unité de temps."

La modélisation informatique aidera les chercheurs à optimiser les futures expériences, se concentrer sur les paramètres qui produiront les meilleurs résultats.

"Ce n'est pas facile d'avoir le temps du faisceau pour faire ces expériences, " Ho a déclaré. "Ces données seront très utiles pour déterminer les conditions d'impulsion optimales à essayer ensuite."