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. «Лента.ру» 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 1020 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 (CH3I) и иодбензола (C6H5I) были подвергнуты воздействию рентгеновского излучения при энергии фотонов 8,3 килоэлектронвольт (кэВ) и интенсивностью 1019 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 CH3I 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 CH3I, 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.
Именно это превращает йод, по словам ученых, в своеобразный молекулярный аналог черной дыры, затягивающей в себя электроны с соседних атомов. Причем сила притяжения, обусловленная электромагнитным взаимодействием, больше силы, которой могла бы подействовать на электроны астрономическая черная дыра массой в десять Солнц. Йод пытается заполнить свои опустевшие оболочки, но в результате теряет большую часть отрицательного заряда. А атомы водорода лишаются своих единственных электронов. Все это происходит в течение фемтосекунд, что делает этот тип ионизации одним из самых быстрых.
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.