Los científicos han usado un pulso ultrabrillante de luz de rayos X para convertir brevemente un átomo de una molécula en una especie de agujero negro electromagnético. A diferencia de un agujero negro en el espacio, el átomo de rayos X no extrae materia de suentorno a través de la fuerza de la gravedad, pero los electrones con su carga eléctrica, lo que hace que la molécula explote en la fracción más pequeña de un segundo. El estudio proporciona información importante para analizar biomoléculas utilizando láseres de rayos X, como informan los científicos en la revista Naturaleza .
Los investigadores utilizaron el láser de electrones libres LCLS en el Laboratorio Nacional de Aceleradores SLAC en los Estados Unidos para bañar moléculas de yodometano CH3I en luz de rayos X intensa. Los pulsos alcanzaron intensidades de 100 billones de kilovatios por centímetro cuadrado.Los rayos X expulsaron a 54 de los 62 electrones de la molécula, creando una molécula que porta una carga positiva 54 veces la carga elemental. "Hasta donde sabemos, este es el nivel más alto de ionización que se haya logrado con la luz,"explica el coautor Robin Santra, del equipo de investigación, que es un destacado científico DESY en el Centro para la Ciencia del Láser Libre de Electrones CFEL.
Sin embargo, esta ionización no tiene lugar de una vez. "El grupo metilo CH3 es en cierto sentido ciego a los rayos X", dice Santra, quien también es profesora de física en la Universidad de Hamburgo. "El X-El pulso de rayos inicialmente despoja al átomo de yodo de cinco o seis de sus electrones. La fuerte carga positiva resultante significa que el átomo de yodo aspira los electrones del grupo metilo, como una especie de agujero negro atómico ". De hecho, la fuerza ejercida sobrelos electrones son considerablemente más grandes que los que ocurren alrededor de un agujero negro astrofísico típico de diez masas solares ". El campo gravitacional debido a un agujero negro real de este tipo no podría ejercer una fuerza similar en un electrón, sin importar qué tan cerca estétrajo el electrón al agujero negro ", dice Santra.
El proceso ocurre tan rápido que los electrones que son absorbidos son luego catapultados por el mismo pulso de rayos X. El resultado es una reacción en cadena en el curso de la cual se desprenden hasta 54 de los 62 electrones de yodometano - todosen menos de una billonésima de segundo ". Esto lleva a una carga positiva extremadamente alta que se acumula en el espacio de una diez billonésima parte de un metro. Eso destroza la molécula", dice el coautor Daniel Rolles de DESY y Kansas StateUniversidad.
Observar este proceso dinámico ultrarrápido es muy significativo para el análisis de moléculas complejas en los llamados láseres de electrones libres de rayos X XFEL como el LCLS en California y el XFEL europeo, que ahora está en servicio enlas afueras de Hamburgo. Estas instalaciones producen rayos X de intensidad extremadamente alta, que pueden usarse, entre otras cosas, para determinar la estructura espacial de moléculas complejas hasta el nivel de átomos individuales. Esta información estructural puede ser utilizada por biólogos,por ejemplo, para determinar el mecanismo preciso por el cual funcionan las biomoléculas. Otros científicos ya han demostrado que las moléculas revelan su estructura atómica antes de explotar. Sin embargo, para estudiar la dinámica de las biomoléculas, durante la fotosíntesis, por ejemplo, es importante entender cómo X-los rayos afectan los electrones.
En este estudio, el yodometano sirve como sistema modelo. "El yodometano es una molécula relativamente simple para comprender los procesos que tienen lugar cuando los compuestos orgánicos son dañados por la radiación", dice el coautor Artem Rudenko de la Universidad del Estado de Kansas. "Si hay más vecinosque un solo grupo metilo está presente, incluso se pueden absorber más electrones "
El grupo de Santra en CFEL por primera vez ha logrado describir estas dinámicas de ultra alta velocidad también en términos teóricos. Esto fue posible gracias a un nuevo programa de computadora, el primero de su tipo en el mundo ". Esto no essolo la primera vez que este experimento se llevó a cabo con éxito; incluso tenemos una descripción numérica del proceso ", señala el coautor Sang-Kil Son del grupo de Santra, quien estaba a cargo del equipo que desarrolló el programa informático."Los datos son muy relevantes para los estudios que utilizan láseres de electrones libres, porque muestran en detalle lo que sucede cuando se produce daño por radiación".
Además de DESY, Kansas State University y SLAC, Tohoku University en Japón, el Instituto Max Planck de Física Nuclear en Alemania, la Universidad de Ciencia y Tecnología de Beijing en China, la Universidad de Århus en Dinamarca, el instituto nacional de metrología de Alemania Physikalisch-Technische Bundesanstalt, el Instituto Max Planck de Investigación Médica en Alemania, el Laboratorio Nacional Argonne en los Estados Unidos, la Universidad de la Sorbona en Francia, el Laboratorio Nacional Brookhaven en los Estados Unidos, la Universidad de Chicago en los Estados Unidos, la Universidad Northwestern en los Estados Unidos y la Universidadde Hamburgo en Alemania también participaron en el estudio.
Deutsches Elektronen-Synchrotron DESY es el principal centro acelerador alemán y uno de los principales del mundo. DESY es miembro de la Asociación Helmholtz y recibe su financiación del Ministerio Federal de Educación e Investigación BMBF de Alemania 90% y los estados federales alemanes de Hamburgo y Brandeburgo 10 por ciento .Desde sus ubicaciones en Hamburgo y Zeuthen, cerca de Berlín, DESY desarrolla, construye y opera aceleradores de partículas grandes, y los utiliza para investigar la estructura de la materia.La ciencia y la física de partículas es única en Europa.
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Materiales proporcionado por DISEÑO Deutsches Elektronen-Synchrotron . Nota: El contenido puede ser editado por estilo y longitud.
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