O badaniach poinformowali przedstawiciele Instytutu Fizyki Jądrowej PAN (IFJ PAN) w Krakowie.

Czy można z rozdzielczością subatomową zobaczyć reakcje chemiczne z udziałem złożonych cząsteczek? Wydaje się, że tak, jeśli skorzystamy z laserów na swobodnych elektronach (Free Electron Laser, FEL). Lasery tego typu potrafią generować impulsy promieniowania rentgenowskiego nie tylko ultrakrótkie, liczone w pojedynczych femtosekundach (czyli milionowych częściach miliardowej części sekundy!), ale także zawierające bardzo dużo fotonów. Po oświetleniu próbki takim impulsem powstaje obraz dyfrakcyjny, na którego podstawie fizycy mogą próbować odtworzyć strukturę przestrzenną badanych cząsteczek. Jest tu jednak pewien bardzo poważny problem…

„Gdy naświetlamy próbkę wieloma fotonami o dużej energii, jej atomy zaczynają oddziaływać z promieniowaniem tak silnie, że dochodzi do zniszczenia materiału. Co zatem widać na zarejestrowanych obrazach dyfrakcyjnych: prawdziwą strukturę próbki czy już obraz jej destrukcji?” - pyta prof. Beata Ziaja-Motyka z IFJPAN i z Centrum Badań z Użyciem Laserów na Swobodnych Elektronach (CFEL) w DESY w Hamburgu.

Prof. Ziaja-Motyka jest członkinią międzynarodowego zespołu fizyków kierowanego przez dr. Ichiro Inoue z japońskiego ośrodka akceleratorowo-laserowego RIKEN SPring-8 Center. W najnowszym artykule, zaprezentowanym na łamach prestiżowego czasopisma fizycznego „Physical Review Letters” naukowcy przedstawili wyniki prac nad takimi procesami dla kryształów korundu, zbudowanych z atomów tlenu i glinu.

Część eksperymentalną przeprowadzono z użyciem lasera rentgenowskiego SACLA, działającego w Hyogo w Japonii.

"W badaniach nanokryształów korundu używaliśmy impulsów trwających zaledwie sześć femtosekund. Zebrane dane pozwoliły nam oszacować, że atomy kryształu zaczynają reagować na wiązkę fotonów z opóźnieniem wynoszącym 20 femtosekund" - mówi cytowany w komunikacie dr Inoue.

„Wyniki eksperymentalne znakomicie zgadzają się z przewidywaniami naszych modeli i symulacji, gdzie także pojawia się podobne opóźnienie” - podkreśla z kolei prof. Ziaja-Motyka, która wraz z dr. Victorem Tkachenko  (IFJ PAN) zajmowała się opisem teoretycznym i symulacjami badanych zjawisk.

„Uważamy, że główną przyczyną tego opóźnienia jest fakt, że elektrony znajdujące się w atomach uwięzionych w węzłach sieci krystalicznej działają trochę jak zderzak i jako pierwsze przejmują impet impulsu rentgenowskiego” - uzupełnia dr Tkachenko.

Opóźniona reakcja atomów glinu i tlenu w korundzie na impuls rentgenowski okazuje się być konsekwencją następującego ciągu wydarzeń. Gdy w kryształ wpadają fotony o dużej energii, przekazują ją głównie elektronom w atomach tkwiących w węzłach sieci krystalicznej. W wyniku tej interakcji elektrony są masowo wybijane z atomów. Z uwagi na znaczną różnicę mas między uwalniającymi się elektronami a ulegającymi jonizacji atomami, te ostatnie początkowo nie reagują odrzutem. Jednak same atomy, dotychczas elektrycznie obojętne, stają się silnie naładowane elektrycznie i zaczynają odczuwać odpychanie ze strony podobnie naładowanych sąsiadów. Właśnie ten proces ładowania zajmuje około 20 femtosekund. Na jeszcze późniejszym etapie jony zyskują dodatkową energię wskutek oddziaływań ze swobodnymi elektronami w krysztale. Ostatecznym rezultatem jest destrukcja próbki.

Wcześniej za pomocą rentgenowskich laserów FEL badano już układy zbudowane z atomów różnych pierwiastków. Do ich oświetlania używano jednak impulsów trwających 15-20 femtosekund. Teraz wiadomo, że to na tyle długo, że atomy w układach zaczynają już się przemieszczać w odpowiedzi na naświetlanie. Fakt ten oznacza, że obrazy otrzymywane dotychczas mogły przedstawiać struktury już częściowo zaburzone interakcją z wiązką laserową.

Zgodność czasów reakcji atomów w nanokrysztale korundu na impuls rentgenowski, zmierzonych w ostatnim eksperymencie, z czasami przewidywanymi przez symulacje, pozwala z optymizmem myśleć o kolejnych próbach obserwacji innych, bardziej złożonych układów, zwłaszcza zawierających pierwiastki lekkie, będące budulcami materii ożywionej - czytamy w komunikacie.

Budowa prostych nanokryształów, takich jak korund, jest powtarzalna. Istniejące symetrie ułatwiają prowadzenie obserwacji, analizę obrazów dyfrakcyjnych oraz symulowanie reakcji próbek na impulsy laserowe. Niestety, wiele interesujących struktur jest pozbawionych symetrii. Dalekosiężnym celem prac polsko-japońskiego zespołu fizyków jest więc wypracowanie metod i stworzenie narzędzi umożliwiających obrazowanie i symulowanie układów istotnych biologicznie, takich jak konglomeraty białkowe czy pojedyncze wirusy.

Udział polskich fizyków w raportowanych badaniach był możliwy dzięki grantowi Narodowej Agencji Wymiany Akademickiej oraz porozumieniu o współpracy zawartemu między Instytutem Fizyki Jądrowej PAN a ośrodkiem European XFEL w Hamburgu, organizacją zarządzającą europejskim laserem na swobodnych elektronach.

PAP - Nauka w Polsce

lt/ zan/