viernes, 2 de junio de 2017

"Agujero negro molecular" creado por el láser de rayos X más potente del mundo


El LCLS (Linac Coherent Light Source) es el láser de rayos X más potente del mundo y está diseñado para ayudar a los científicos a descubrir los secretos del mundo microscópico con más detalle. En el pasado este instrumento se ha utilizado para crear una especie de mini-estrella en el laboratorio, y ahora se ha empleado para crear un "agujero negro molecular" concentrando la intensidad total del haz en un solo átomo.

El LCLS puede capturar imágenes de alta resolución de virus, bacterias, proteínas y moléculas individuales. El sistema funciona sometiendo a los objetivos a pulsos explosivos de rayos X extremadamente brillantes que duran sólo unos femtosegundos (aproximadamente un millón de millonésimas de segundo) y que generan suficiente energía para cortar el acero. El estudio de objetos microscópicos con el LCLS podría mejorar nuestra comprensión de la física de partículas, el desarrollo de fármacos, la fotosíntesis, la fusión nuclear y la espintrónica.

El agujero negro molecular fue un subproducto inesperado de los experimentos llevados a cabo por investigadores de la Universidad Estatal de Kansas. El equipo usó espejos para enfocar el haz de rayos X en un punto de 100 nm de ancho, que es aproximadamente 100 veces menor a los blancos que usualmente se utilizan en los experimentos con el LCLS. El plan era probar cómo los átomos pesados reaccionan cuando son alcanzados por rayos X duros, llevando la energía más alta posible que el LCLS puede producir.

"Estos haces son cien veces más intensos que los que se obtendrían si se enfocara toda la luz solar que llega a la superficie de la Tierra en una uña de pulgar", de acuerdo a Sebastien Boutet, coautor del estudio.

Con esa ridícula cantidad de energía aprovechada, el equipo apuntó los haces de rayos X a átomos de xenón, que contienen 54 electrones cada uno, y átomos de yodo, que tienen 53 electrones. Se esperaba que los electrones más internos en cada átomo serían eliminados para crear "átomos huecos", antes de que los electrones de las capas externas se desplegaran en cascada para llenar los huecos. Éstos electrones entonces serían explotados por los siguientes rayos X, dejando sólo los electrones más estrechamente unidos.

Esto es exactamente lo que sucedió con los átomos de xenón, que  estaban aislados, pero no fue el caso para el yodo. Estos átomos formaban parte de dos moléculas diferentes, de modo que cuando perdían electrones se convertían en una especie de agujero negro molecular, absorbiendo más átomos de carbono y de hidrógeno adyacentes para llenar el vacío que quedaba. Estos electrones también fueron expulsados, antes de que los rayos X destruyeran las moléculas completamente.

Se esperaba que un átomo de yodo aislado pierdiea 47 electrones en esta situación, pero incluyendo los que absorbió de sus vecinos, la menor de las dos moléculas terminó expulsando 54. En cuanto a la más grande, el equipo no ha podido averiguarlo aún.

"Creemos que el efecto fue aún más importante en la molécula más grande que en la más pequeña, pero aún no sabemos cuantificarlo", dijo Artem Rudenko, investigador principal del estudio. "Estimamos que más de 60 electrones fueron expulsados, pero en realidad no sabemos que fue lo que ocurrió realmente porque no pudimos detectar todos los fragmentos que volaron cuando la molécula se desintegró para ver cuántos electrones faltaban. Esta es una de las preguntas abiertas que necesitamos estudiar ".

Aunque los investigadores no esperaban que los átomos sufrieran tanto daño, los hallazgos todavía estuvieron de acuerdo con los modelos teóricos, lo que lleva al equipo a creer que el instrumento puede ser usado para estudiar sistemas más complejos.

"Esto tiene importantes beneficios para los científicos que desean obtener imágenes de mayor resolución de las moléculas biológicas con el fin de desarrollar mejores fármacos, por ejemplo", de acuerdo a Mike Dunne, Director del programa LCLS. "Estos experimentos también guiarán el desarrollo de un instrumento de próxima generación para el proyecto 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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