(Phys.org) — Les scientifiques du SLAC ont fait exploser des « buckyballs » – des molécules de carbone en forme de ballon de football – avec un laser à rayons X pour comprendre comment elles se séparent. Les résultats, ils disent, facilitera les études biologiques en améliorant l'analyse des images radiographiques de minuscules virus, protéines individuelles et d'autres biomolécules importantes.

L'expérience a été réalisée au laser à rayons X Linac Coherent Light Source (LCLS) du SLAC, une installation utilisateur du DOE Office of Science, et les résultats paraissent dans le numéro du 27 juin de Communication Nature .

"C'est une sorte de Catch-22 :vous avez besoin que la mise au point du laser à rayons X soit extrêmement intense et lumineuse pour obtenir une bonne image, " dit Nora Berrah, un physicien expérimental à l'Université du Connecticut. "Mais les rayons X déclenchent également des dommages et des mouvements étonnamment rapides et substantiels dans les atomes, résultant en une image floue." Berrah a dirigé les recherches avec Robin Santra, un théoricien du Center for Free-Electron Laser Science du laboratoire allemand DESY.

Parce que les buckyballs sont entièrement composés de carbone - l'épine dorsale de toute vie sur Terre - ils sont un bon substitut pour les molécules biologiques, dont beaucoup ont également des liaisons atomiques fortes. Ils ont leur nom officiel, "buckminsterfullerene, " pour leur ressemblance avec les dômes géodésiques inventés par R. Buckminster Fuller.

En 20 femtosecondes, ou des quadrillions de seconde, après avoir été frappé par des rayons X LCLS, les atomes des buckyballs s'étaient séparés et avaient parcouru une distance environ 10 fois plus longue que leur propre diamètre, les chercheurs ont rapporté.

"Les rayons X brillants éliminent un grand nombre d'électrons de la molécule, ses atomes se chargent de plus en plus positivement, et la répulsion électrique laisse enfin exploser la molécule, " dit Berrah.

Tout comme les objets en mouvement rapide peuvent brouiller les photographies conventionnelles, les vitesses élevées des atomes et des électrons flottants dans une molécule en explosion peuvent obscurcir les images radiographiques, donc la meilleure façon d'observer une molécule dans son état intact est d'utiliser le plus court, les impulsions les plus lumineuses disponibles au LCLS pour prendre des images avant que tout dommage ne se produise.

En outre, la modélisation des détails des dommages peut aider les chercheurs à trouver le meilleur moment et les meilleures techniques pour capturer des images précises qui cartographient la structure 3D et d'autres propriétés des échantillons.

Chez LCLS, les chercheurs ont utilisé un four spécialisé pour créer un mince faisceau de gaz de buckyballs qui sont passés sur le trajet des impulsions de rayons X LCLS. Ils ont fait varier l'énergie et la longueur des impulsions LCLS et ont utilisé un spectromètre spécialisé, développé en Suède, pour mesurer les fragments chargés des molécules dans les explosions provoquées par les rayons X et leurs conséquences.

En moyenne, environ 180 particules de lumière, appelés photons, entré chaque buckyball frappé par une impulsion LCLS, et dans certains cas, ils ont dépouillé tous les électrons des atomes de carbone tout en faisant éclater la molécule.

Ensuite, les bits de buckyball très chargés, connu sous le nom d'ions, ont formé de minuscules plasmas et ont commencé à attirer vers eux des électrons flottant librement – ​​un processus connu sous le nom d'« ionisation secondaire ».

Sans expériences, développer des modèles qui simulent et prédisent le comportement des grands, molécules complexes est difficile même avec des ordinateurs puissants, Berrah a noté. L'expérience au LCLS a joué un rôle clé dans la construction et la validation d'un nouveau modèle théorique pour expliquer le comportement des buckyballs sous une intensité de rayons X extrême.

"Ce qui est le plus important, En réalité, sont les effets secondaires d'ionisation qui ont été expliqués par le modèle, que nous avons validé, " Berrah a expliqué. "Ces effets ont été plus forts et ont duré plus longtemps que prévu."

Les scientifiques ont comparé les débris de l'explosion moléculaire avec une simulation développée par le scientifique DESY Zoltan Jurek du CFEL. "Ces outils de simulation ont été développés à l'origine pour des choses comme les liquides et les polymères qui sont à l'équilibre ou près de l'équilibre, pas pour les hautes énergies et les forces puissantes que nous voyons ici, " explique Jurek. " Personne ne savait si cela fonctionnerait vraiment. "

Berrah a dit, « Nous avions besoin des données expérimentales pour construire et développer le modèle. En même temps, ce modèle puissant nous a permis d'interpréter les données. Il s'agit d'une étape importante pour l'enquête sur les individus, des biomolécules complexes comme des protéines avec des lasers comme le LCLS."