El rayo X más poderoso crea un “agujero negro” molecular

Tiene una potencia equivalente a concentrar cien veces toda la energía solar que llega a la Tierra en un dedo

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La intensidad de los pulsos de rayos X ha creado en el átomo de yodo una versión electromagnética de un agujero negro. Crédito imagen: DESY/Science Communication Lab

Todo ocurre en un lapso de 30 femtosegundos (un femtosegundo es la mil billonésima parte de un segundo). Cuando los científicos del Laboratorio Nacional de Aceleración SLAC enfocaron la intensidad total del láser de rayos X más potente del mundo en una pequeña molécula, se encontraron con una sorpresa. Un solo pulso del láser despojó al átomo de casi todos sus electrones, desde el interior hacia el exterior, dejando un vacío que empezó a extraer electrones del resto de la molécula, como un agujero negro engullendo un disco en espiral de materia.Y luego la molécula explotó.

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Los resultados, publicados en Nature, dan a los científicos las ideas fundamentales que necesitan para planificar e interpretar mejor los experimentos que se realizan utilizando los pulsos de rayos X más intensos y enérgicos del láser de rayos X del Linac Coherent Light Source ( Fuente de Luz Coherente del Linac o LCLS por sus siglas en inglés). Los experimentos que requieren estas intensidades incluyen realizar imágenes de objetos biológicos individuales, tales como virus y bacterias, a alta resolución. También se utilizan para estudiar el comportamiento de la materia en condiciones extremas y para comprender mejor la dinámica de carga en moléculas complejas para aplicaciones tecnológicas avanzadas.
“Para cualquier tipo de experimento – explica Daniel Rolles, uno de los autores del estudio en un comunicado – que utiliza rayos X intensos en una muestra, es necesario comprender cómo reacciona a los rayos X. Este artículo demuestra que podemos entender y anticipar el daño de radiación en pequeñas moléculas, así que ahora podemos predecir qué daño obtendremos en otros sistemas”.

Para este estudio, los investigadores usaron espejos especiales para enfocar el haz de rayos X en un punto de poco más de 100 nanómetros de diámetro (mil veces menor que el ancho de un cabello humano). El rayo se concentró en tres tipos de muestras: átomos individuales de xenón, que tienen 54 electrones cada uno, y dos tipos de moléculas que contienen un solo átomo de yodo, con 53 electrones para que selectivamente tirara de los electrones interiores de los átomos de xenón o yodo, creando "átomos huecos".
Pero en las moléculas, el proceso no se detuvo allí. El átomo de yodo, que tenía una fuerte carga positiva después de perder la mayor parte de sus electrones, continuó absorbiendo electrones de átomos de carbono y de hidrógeno vecinos, y esos electrones también fueron expulsados, uno por uno. Así, en lugar de perder 47 electrones, como sería el caso de un átomo de yodo aislado, el yodo en la molécula más pequeña perdió 54, incluyendo los de sus vecinos.

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De acuerdo con Sebastian Boutet, otro de los autores, el pulso de rayos X es “cien veces más intensas de lo que obtendríamos si enfocamos toda la luz del Sol que llega a la superficie de la Tierra en un un dedo”. El hallazgo tiene importantes beneficios para los científicos que deseen obtener imágenes de las moléculas biológicas de mayor resolución (por ejemplo, para el desarrollo de mejores fármacos). Estos experimentos también guiarán el desarrollo de un instrumento de próxima generación para el proyecto de mejora LCLS-II, que proporcionará un gran salto en la capacidad debido al aumento en la tasa de repetición de 120 pulsos por segundo a 1 millón.

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