Международная группа ученых выяснила, что при облучении органических молекул интенсивным рентгеновским излучением возникает микроскопический аналог черной дыры. Это открытие поможет более точно выяснить структуру сложных молекул и биологических материалов. рассказывает о новом исследовании, опубликованном в журнале Nature.

Рентгеновские лазеры на свободных электронах (РЛСЭ) - вид лазеров, которые генерируют рентгеновское излучение, подходящее для исследований структуры биологических молекул. В качестве рабочего тела РЛСЭ используется пучок электронов, движущихся по синусоидальной траектории через ондулятор (или вигглер) - устройство, представляющее собой ряд магнитов. При этом электроны излучают фотоны, формирующие узкий конус рентгеновского излучения.

Рентгеновские лучи являются электромагнитными волнами с довольно маленькой длиной, что позволяет использовать их для изучения очень маленьких объектов (чем короче длина волны, тем более мелкие детали можно рассмотреть с ее помощью). Однако есть существенная проблема: коротковолновое излучение обладает высокой энергией. В результате вместо того, чтобы узнать структуру биологической молекулы, мы ее сжигаем. Обойти эту трудность помогают фемтосекундные лазеры - лазеры сверхкоротких импульсов.

Фемтосекунда - одна квадрилионная доля секунды (10 -15 c.) Импульсы рентгеновского излучения, генерируемые этой разновидностью РЛСЭ, длятся примерно 5-50 фемтосекунд. При таких коротких, но сверхмощных (до 10 20 ватт на квадратный сантиметр) импульсов образец не успевает разрушиться до того, как ученые получат его изображение. Однако и здесь существуют свои ограничения. Столь интенсивные импульсы подходят для изучения сложных материалов и биологических систем, но не для фундаментальных молекулярных исследований, для которых применяют рентгеновское излучение послабее.

Дело в том, что при облучении атомов интенсивным рентгеновским излучением они достигают высокой степени ионизации благодаря многофотонному поглощению. В молекулах, состоящих из разных атомов, это происходит с самым тяжелым атомом (у которого выше порядковый номер) при условии, что для него вероятность поглощения фотона гораздо выше, чем для соседних ядер. После этого полученный заряд распределяется по всей молекуле. Такая ионизация может приводить к локальным повреждениям образца и, как следствие, искажениям картины.

Ученые научились предсказывать искажения при использовании мягких или не очень интенсивных рентгеновских импульсов. Для этого были разработаны модели на основе изолированного атома, ионизированного при тех же условиях. Однако оставалось неизвестным, можно ли смоделировать те же процессы в полиатомных молекулах при более жестком и интенсивном излучении.

Чтобы ответить на этот вопрос, международная научная группа воспользовалась лазером на свободных электронах LCLS (Linac Coherent Light Source) в Национальной ускорительной лаборатории SLAC в США. Изолированные атомы ксенона, молекулы газообразного иодметана (CH 3 I) и иодбензола (C 6 H 5 I) были подвергнуты воздействию рентгеновского излучения при энергии фотонов 8,3 килоэлектронвольт (кэВ) и интенсивностью 10 19 ватт на квадратный сантиметр. Длительность каждого импульса составляла менее 30 фемтосекунд. Измерялись выход и кинетическая энергия образовавшихся ионов.

Обнаружилось, что максимальные уровни ионизации атомов ксенона и ионов йода CH 3 I были сравнимы друг с другом (48+ и 47+ соответственно). Подобное не наблюдалось в экспериментах с мягким рентгеновским излучением и энергией фотонов 5,5 кэВ, где уровень ионизации отдельных атомов был выше, чем атомов с близким порядковым номером в молекуле. Самый большой полученный заряд всей молекулы иодметана достигал 54+ (это значит, что рентген выбил из нее 54 электрона), что превышало максимальный положительный заряд ксенона.

Физики воспользовались теоретической моделью, чтобы объяснить такой результат. Водород и углерод, содержащиеся в CH 3 I, незначительно поглощают фотоны из-за их маленького эффективного сечения. Этой величиной определяется вероятность взаимодействия атома с частицей, и она зависит от размера атома.

У более крупного атома йода большее эффективное сечение. Почти все поглощенные молекулой фотоны приходятся на него, и это приводит к его ионизации - потере 47 электронов (углерод тоже ионизируется, но только на четыре электрона). Возникает эффект Оже, когда атом становится неустойчивым и вынужден заполнять возникшие вакансии электронами, находящимися на других (внешних) электронных оболочках. В результате выделяется энергия, которая может передаваться другим электронам, вынуждая их покинуть атом. Таким образом, процесс принимает каскадный характер. В результате формируется высокий положительный заряд, локализованный в атоме йода.

Предложенный исследователями механизм, названный ими CREXIM (charge-rearrangement-enhanced X-ray ionization of molecules), позволяет предсказывать экспериментальные данные. Это важно, поскольку «черные дыры» приводят к тому, что положительный заряд силой отталкивания разрывает молекулу на части, и это искажает получаемое изображение. Иодметан в этой работе служит «модельной» молекулой, по которой можно судить о поведении других, более сложных молекул.

Не пугайтесь заголовка. Чёрная прореха, невзначай созданная сотрудниками Национальной ускорительной лаборатории SLAC, получилась размером итого лишь с один-одинехонек атом, настолько что нам ничто не угрожает. Ага и звание «чёрная дыра» лишь отдалённо описывает созерцаемый исследователями феномен. Мы неоднократно повествовали вам о самом мощном в мире рентгеновском лазере, таскающем звание Linac Coherent Light Source(Линейный измерить когерентного света – англ.). Разработано это конструкция было для того, чтобы исследователи могли своими буркалами увидеть все красоты микроскопического уровня. Однако в итоге случайности лазер создал миниатюрную молекулярную чёрную дыру.

В январе 2012 года LCLS использовался для того, чтобы воссоздать в лаборатории своего рода крошечную звезду. Лазер создал плотную материю, раскалённую до температуры 2 000 000 градусов Цельсия. Учёные на какое-то времена приблизились к пониманию того, что собственно происходит внутри Солнца. Однако планов по созданию чёрной дыры, пускай даже и молекулярной, у исследователей не было. Это событие стало итогом безукоризненной случайности в ходе одного из многочисленных экспериментов.
LCLS облучает объекты при помощи невообразимо ярких рентгеновских вспышек длительностью итого в несколько фемтосекунд. В ходе очередного эксперимента учёные использовали зеркала для того, чтобы сфокусировать лазерный луч в пятно с диаметром итого 100 нанометров, что образцово в 100 один крохотнее всегдашнего. Целью эксперимента было изыскание реакции тяжёлых атомов на удар жёсткого рентгеновского излучения. Собственно поэтому было величаво максимально сфокусировать луч лазера. Мощность, полученную в итоге, можно сопоставить со всем солнечным светом, бросающимся на землю, если сфокусировать его в пятно размером с людской ноготь.
Всю эту энергию учёные навестили на атомы ксенона, включающие по 54 электрона всякий, а также на атомы йода, владеющие по 53 электрона. Исследователи предполагали, что те электроны, какие расположены задушевнее итого к центру атомов, будут удалены, что, по сути, позволит на кое-какое времена создать подобие «полых атомов» до тех пор, доколе электроны с внешних орбит не начнут заполнять интервалы. В случае с ксеноном собственно это и приключилось. А вот йод повёл себя абсолютно иначе. Его атомы, изображающие частью двух молекул, после утраты электронов превратились в некое подобие чёрной дыры, затягивающей в себя электроны из соседних атомов углерода и водорода. Лазер выбивал втянутые в атом чужие электроны до тех пор, доколе полностью не разбил всю молекулу.
Предполагалось, что атом йода потеряет итого 47 электронов, однако с учётом втянутых электронов из соседних атомов, учёные насчитали 54 штуки. И это речь идёт о меньшей молекуле. Что же дотрагивается крупной молекулы, исследователи доколе всё ещё анализируют результаты эксперимента. Сделать это не настолько попросту, однако учёные планируют продолжать свои изыскания в настоящем течении. Результаты необычного эксперимента были опубликованы в журнале Nature.

Ученые случайно создали молекулярную черную дыру

Не пугайтесь заголовка. Чёрная дыра, случайно созданная сотрудниками Национальной ускорительной лаборатории SLAC, получилась размером всего лишь с один атом, так что нам ничто не угрожает. Да и название «чёрная дыра» лишь отдалённо описывает наблюдаемый исследователями феномен. Мы неоднократно рассказывали вам о самом мощном в мире рентгеновском лазере, носящем название Linac Coherent Light Source (Линейный источник когерентного света – англ.). Разработано это устройство было для того, чтобы исследователи могли своими глазами увидеть все красоты микроскопического уровня. Но в результате случайности лазер создал миниатюрную молекулярную чёрную дыру.

В январе 2012 года LCLS использовался для того, чтобы воссоздать в лаборатории своего рода крошечную звезду. Лазер создал плотную материю, раскалённую до температуры 2 000 000 градусов Цельсия. Учёные на какое-то время приблизились к пониманию того, что именно происходит внутри Солнца. Но планов по созданию чёрной дыры, пускай даже и молекулярной, у исследователей не было. Это событие стало результатом чистой случайности в ходе одного из многочисленных экспериментов.

LCLS облучает объекты при помощи невероятно ярких рентгеновских вспышек длительностью всего в несколько фемтосекунд. В ходе очередного эксперимента учёные использовали зеркала для того, чтобы сфокусировать лазерный луч в пятно с диаметром всего 100 нанометров, что примерно в 100 раз меньше обычного. Целью эксперимента было исследование реакции тяжёлых атомов на удар жёсткого рентгеновского излучения. Именно поэтому было важно максимально сфокусировать луч лазера. Мощность, полученную в итоге, можно сопоставить со всем солнечным светом, падающим на землю, если сфокусировать его в пятно размером с человеческий ноготь.

Всю эту энергию учёные направили на атомы ксенона, содержащие по 54 электрона каждый, а также на атомы йода, имеющие по 53 электрона. Исследователи предполагали, что те электроны, которые расположены ближе всего к центру атомов, будут удалены, что, по сути, позволит на некоторое время создать подобие «полых атомов» до тех пор, пока электроны с внешних орбит не начнут заполнять промежутки. В случае с ксеноном именно это и произошло. А вот йод повёл себя совершенно иначе. Его атомы, являющиеся частью двух молекул, после потери электронов превратились в некое подобие чёрной дыры, затягивающей в себя электроны из соседних атомов углерода и водорода. Лазер выбивал втянутые в атом чужие электроны до тех пор, пока полностью не разрушил всю молекулу.

Предполагалось, что атом йода потеряет всего 47 электронов, однако с учётом втянутых электронов из соседних атомов, учёные насчитали 54 штуки. И это речь идёт о меньшей молекуле. Что же касается крупной молекулы, исследователи пока всё ещё анализируют результаты эксперимента. Сделать это не так просто, но учёные планируют продолжать свои исследования в данном направлении. Результаты необычного опыта были опубликованы в журнале Nature.

Эта статья была автоматически добавлена из сообщества

Не пугайтесь заголовка. Чёрная дыра, случайно созданная сотрудниками национальной ускорительной лаборатории Slac, получилась размером всего лишь с один атом, так что нам ничто не угрожает. Да и название "Чёрная Дыра" лишь отдалённо описывает наблюдаемый исследователями феномен. Мы неоднократно рассказывали вам о самом мощном в мире рентгеновском лазере, носящем название Linac Coherent Light Source (линейный источник когерентного света - англ
. Разработано это устройство было для того, чтобы исследователи могли своими глазами увидеть все красоты микроскопического уровня. Но в результате случайности лазер миниатюрную молекулярную чёрную дыру создал.

В январе 2012 года Lcls использовался для того, чтобы воссоздать в лаборатории своего рода крошечную звезду. Лазер создал плотную материю, раскалённую до температуры 2 000 000 градусов цельсия. Учёные на какое-то время приблизились к пониманию того, что именно происходит внутри солнца. Но планов по созданию чёрной дыры, пускай даже и молекулярной, у исследователей не было. Это событие стало результатом чистой случайности в ходе одного из многочисленных экспериментов.

Lcls облучает объекты при помощи невероятно ярких рентгеновских вспышек длительностью всего в несколько фемтосекунд. В ходе очередного эксперимента учёные использовали зеркала для того, чтобы сфокусировать лазерный луч в пятно с диаметром всего 100 нанометров, что примерно в 100 раз меньше обычного. Целью эксперимента было исследование реакции тяжёлых атомов на удар жёсткого рентгеновского излучения. Именно поэтому было важно максимально сфокусировать луч лазера. Мощность, полученную в итоге, можно сопоставить со всем солнечным светом, падающим на землю, если сфокусировать его в пятно размером с человеческий ноготь.

Всю эту энергию учёные направили на атомы ксенона, содержащие по 54 электрона каждый, а также на атомы йода, имеющие по 53 электрона. Исследователи предполагали, что те электроны, которые расположены ближе всего к центру атомов, будут удалены, что, по сути, позволит на некоторое время создать подобие "Полых Атомов" до тех пор, пока электроны с внешних орбит не начнут заполнять промежутки. В случае с ксеноном именно это и произошло. А вот йод себя совершенно иначе повёл. Его атомы, являющиеся частью двух молекул, после потери электронов превратились в некое подобие чёрной дыры, затягивающей в себя электроны из соседних атомов углерода и водорода. Лазер выбивал втянутые в атом чужие электроны до тех пор, пока полностью не разрушил всю молекулу.

Предполагалось, что атом йода потеряет всего 47 электронов, однако с учётом втянутых электронов из соседних атомов, учёные насчитали 54 штуки. И это речь о меньшей молекуле идёт. Что же касается крупной молекулы, исследователи пока всё ещё анализируют результаты эксперимента. Сделать это не так просто, но учёные планируют продолжать свои исследования в данном направлении. Результаты необычного опыта были опубликованы в журнале Nature.

Не пугайтесь заголовка. Чёрная дыра, случайно созданная сотрудниками Национальной ускорительной лаборатории SLAC, получилась размером всего лишь с один атом, так что нам ничто не угрожает. Да и название «чёрная дыра» лишь отдалённо описывает наблюдаемый исследователями феномен. Мы неоднократно рассказывали вам о самом мощном в мире рентгеновском лазере, носящем название Linac Coherent Light Source (Линейный источник когерентного света – англ.). Разработано это устройство было для того, чтобы исследователи могли своими глазами увидеть все красоты микроскопического уровня. Но в результате случайности лазер создал миниатюрную молекулярную чёрную дыру.

В январе 2012 года LCLS использовался для того, чтобы воссоздать в лаборатории своего рода крошечную звезду. Лазер создал плотную материю, раскалённую до температуры 2 000 000 градусов Цельсия. Учёные на какое-то время приблизились к пониманию того, что именно происходит внутри Солнца. Но планов по созданию чёрной дыры, пускай даже и молекулярной, у исследователей не было. Это событие стало результатом чистой случайности в ходе одного из многочисленных экспериментов.

LCLS облучает объекты при помощи невероятно ярких рентгеновских вспышек длительностью всего в несколько фемтосекунд. В ходе очередного эксперимента учёные использовали зеркала для того, чтобы сфокусировать лазерный луч в пятно с диаметром всего 100 нанометров, что примерно в 100 раз меньше обычного. Целью эксперимента было исследование реакции тяжёлых атомов на удар жёсткого рентгеновского излучения. Именно поэтому было важно максимально сфокусировать луч лазера. Мощность, полученную в итоге, можно сопоставить со всем солнечным светом, падающим на землю, если сфокусировать его в пятно размером с человеческий ноготь.

Всю эту энергию учёные направили на атомы ксенона, содержащие по 54 электрона каждый, а также на атомы йода, имеющие по 53 электрона. Исследователи предполагали, что те электроны, которые расположены ближе всего к центру атомов, будут удалены, что, по сути, позволит на некоторое время создать подобие «полых атомов» до тех пор, пока электроны с внешних орбит не начнут заполнять промежутки. В случае с ксеноном именно это и произошло. А вот йод повёл себя совершенно иначе. Его атомы, являющиеся частью двух молекул, после потери электронов превратились в некое подобие чёрной дыры, затягивающей в себя электроны из соседних атомов углерода и водорода. Лазер выбивал втянутые в атом чужие электроны до тех пор, пока полностью не разрушил всю молекулу.

Предполагалось, что атом йода потеряет всего 47 электронов, однако с учётом втянутых электронов из соседних атомов, учёные насчитали 54 штуки. И это речь идёт о меньшей молекуле. Что же касается крупной молекулы, исследователи пока всё ещё анализируют результаты эксперимента. Сделать это не так просто, но учёные планируют продолжать свои исследования в данном направлении. Результаты необычного опыта были опубликованы в журнале Nature.