Les "caméras à électrons" à grande vitesse peuvent détecter de minuscules mouvements moléculaires dans un matériau en diffusant un puissant faisceau d'électrons sur un échantillon. Jusque récemment, les chercheurs n'avaient utilisé cette technique que pour étudier les gaz et les solides. Mais certains des processus biologiques et chimiques les plus importants, en particulier la conversion de la lumière en énergie, se produire dans les molécules dans une solution.

Maintenant, les chercheurs ont appliqué cette technique, diffraction électronique ultrarapide, aux molécules dans les échantillons liquides. Ils ont développé une méthode pour créer des jets de liquide de 100 nanomètres d'épaisseur - environ 1, 000 fois plus mince que la largeur d'un cheveu humain, ce qui leur permet d'obtenir des diagrammes de diffraction clairs des électrons. À l'avenir, cette méthode pourrait leur permettre d'explorer des processus basés sur la lumière tels que la vision, catalyse, photosynthèse et dommages à l'ADN causés par les rayons UV.

L'équipe, qui comprenait des chercheurs du SLAC National Accelerator Laboratory du ministère de l'Énergie, Université de Stanford et Université du Nebraska-Lincoln (UNL), ont publié leurs résultats dans Structural Dynamics en mars.

"Cette recherche est une énorme percée dans le domaine de la diffraction ultrarapide des électrons, " dit Xijie Wang, directeur de l'instrument MeV-UED, qui a co-écrit le document. "Être capable d'étudier les systèmes biologiques et chimiques dans leur environnement naturel est un outil précieux qui ouvre une nouvelle fenêtre pour l'avenir."

Films en stop-motion

Les jets de liquide sont utilisés depuis longtemps pour fournir des échantillons aux lasers à rayons X tels que la source de lumière cohérente Linac (LCLS) du SLAC, fournissant des informations précieuses sur les processus ultrarapides tels qu'ils se produisent dans leur environnement naturel. La "caméra à électrons ultrarapide du SLAC, " MeV-UED, utilise des faisceaux d'électrons à haute énergie pour compléter la gamme d'informations structurelles collectées au LCLS.

Ici, les scientifiques commencent par exciter un échantillon avec une lumière laser, lancer les processus qu'ils espèrent étudier. Ensuite, ils font exploser l'échantillon avec une courte impulsion d'électrons à haute énergie, mesuré en millions d'électronvolts (MeV), regarder à l'intérieur, générer des instantanés de sa structure atomique changeante qui peuvent être enchaînés dans un film en stop-motion des changements structurels induits par la lumière dans l'échantillon.

Regarder dans le kaléidoscope

Les minuscules longueurs d'onde de ces électrons à haute énergie permettent aux scientifiques de prendre des instantanés à haute résolution, offrant un aperçu des processus tels que le transfert de protons et la rupture des liaisons hydrogène qui sont difficiles à étudier avec d'autres méthodes. Mais l'application de cette technique à des échantillons liquides s'est avérée difficile.

"Comme les électrons ne pénètrent pas les échantillons aussi facilement que les rayons X, " dit Kathryn Ledbetter, un étudiant diplômé du Stanford PULSE Institute qui a co-écrit l'article, "L'application de cette technique aux liquides est un défi de longue date dans le domaine."

Si l'échantillon est trop épais, les électrons peuvent se coincer et se disperser plusieurs fois, produire un mélange sauvage de modèles à partir desquels il est difficile de glaner des informations, comme regarder à travers un kaléidoscope. Dans cette nouvelle étude, l'équipe a surmonté ces défis grâce à l'utilisation d'électrons MeV et d'un jet de feuille liquide accéléré par gaz. Lorsque les électrons traversent le jet, ils s'éparpillent une seule fois, produisant un modèle propre qui est beaucoup plus facile à reconstruire. L'équipe a également conçu une chambre qui abritait le jet de liquide et surveillait l'interaction entre l'échantillon et le faisceau d'électrons.

"Un autre outil dans la boîte à outils ultrarapide"

Cet article prépare le terrain pour les recherches à venir qui examinent des questions telles que ce qui se passe lorsque les liaisons hydrogène se rompent ou lorsque les molécules absorbent le rayonnement UV. Comme prochaine étape, Les chercheurs du SLAC modernisent l'installation MeV-UED et développent une nouvelle génération de détecteurs d'électrons directs qui élargiront considérablement la portée scientifique de cette technique.

"Nous aimerions que ce soit un autre outil dans la boîte à outils des chercheurs essayant d'en apprendre davantage sur les liquides et les réactions induites par la lumière, " dit Pedro Nunes, un chercheur postdoctoral à l'UNL qui a dirigé la recherche. "Nous voulons montrer à la communauté que ce que l'on croyait autrefois tiré par les cheveux n'est pas seulement possible, mais capable de fonctionner avec suffisamment de fluidité pour observer les changements structurels se dérouler en temps réel."