Международному коллективу ученых удалось установить, что в процессе облучения мощным рентгеновским излучением органических молекул образуется аналог черной дыры микроскопических размеров. Благодаря данному открытию ученые смогут более подробно изучить структуру биологических материалов и сложных молекул.
Рентгеновский лазер на свободных электронах является видом лазеров, генерирующих рентгеновское излучение, которое подходит для изучения структуры биологических молекул. В таких лазерах в качестве рабочего тела применяется пучок электронов, которые двигаются через устройство, состоящее из ряда магнитов (вигглер или ондулятор) по синусоидальной траектории. В процессе происходит процесс излучения фотонов электронами, которые формируют узкий конус рентгеновского излучения.
Рентгеновские лучи – это электромагнитные волны, длина которых относительно небольшая, благодаря чему их можно использовать для изучения крайне малых объектов. Чем меньше будет длина волны, тем более мелкие объекты можно с их помощью рассматривать. В то же время, существует одна существенная проблема: у коротковолнового излучения очень высокая энергия. В конечном итоге, в процессе изучения ученые не узнают структуру биологической молекулы, а просто сжигают ее. В решении данной проблемы большую роль играют фемтосекундные лазеры – то есть, приборы сверхкоротких импульсов.
Фемтосекунда является одной квадриллионной долей секунды. Импульсы рентгеновского излучения, которые порождаются лазерами подобного типа, имеют продолжительность порядка 5-50 фемтосекунд. При наличии коротких, но очень мощных импульсов рассматриваемый образец не разрушается до того момента, пока исследователи не получат его изображение. Необходимо, впрочем. Отметить, что и в таком случае существуют определенные ограничения. Сверхмощные импульсы можно использоваться для изучения сложных биологических систем и материалов, но они совершенно непригодны для проведения фундаментальных исследований молекул, для которых, как правило, используется рентгеновское излучение меньшей мощности.
В процессе облучения атомов при помощи интенсивного рентгеновского излучения они, за счет многофотонного поглощения, достигают высокой степени ионизации. В тех молекулах, которые состоят из различных атомов, ионизируется самый тяжелый атом (который имеет выше порядковый номер) в том случае, если вероятность поглощения фотонов у него выше, чем у соседних атомов. Затем происходит распределение полученного заряда по всей молекуле. Подобного рода ионизация может провоцировать локальные повреждения образца, в результате чего общая картина может искажаться.
Ученым удалось спрогнозировать возможные искажения в процессе использования не очень интенсивных или мягких рентгеновских импульсов. С этой целью были разработаны модели, основанные на изолированном атоме, ионизированном при тех же условиях. В то же время, ученые не знали, возможно ли моделирование подобных процессов в многоатомных молекулах при более интенсивном и жестком излучении.
Для ответа на этот вопрос ученым пришлось воспользоваться лазером на свободных электронах, который находится в США в Национальной ускорительной лаборатории SLAC. Молекулы иодбензола и газообразного иодметана и изолированные атомы ксенона ученые подвергли воздействию рентгеновского излучения, интенсивность которого достигала 1019 ватт на сантиметр квадратный при энергии фотонов 8,3 килоэлектронвольт. Каждый импульс длился менее 30 фемтосекунд. В процессе ученые измеряли кинетическую энергию и выход образовавшихся ионов.
Было установлено, что максимальные уровни ионизации ионов йода и атомов ксенона были практически идентичны (47+ и 48+). Ничего подобного ученые не наблюдали в исследованиях с менее мощным рентгеновским излучением при энергии фотонов 5,5 килоэлектронвольт, в которых уровень ионизации был выше у отдельных атомов, чем у атомов с близким порядковым номером в молекуле. Ученым удалось получить наивысший заряд молекулы иодметана, равный 54+ (иными словами, рентген выбил из молекулы 54 электрона), что было больше максимального положительного заряда ксенона.
Для объяснения полученного результата физики использовали теоретическую модель. Углерод и водород, которые содержатся в ионе йода, в незначительной степени поглощают фотоны за счет небольшого эффективного сечения. Эта величина помогает определить вероятность взаимодействия атома и частицы, и зависит она от размеров атома.
Более крупный атом йода имеет большее эффективное сечение. Практически все фотоны, поглощенные молекулой, приходятся на него, что и приводит к ионизации, при которой теряется 47 электронов. В то же время происходит процесс ионизации углерода, но он теряет всего 4 электрона. Таким образом, возникает эффект Оже, при котором атом перестает быть устойчивым, поэтому вынужден заполнять освободившиеся места электронами с внешних электронных оболочек. В конечном итоге происходит выделение энергии, которая передается другим электронам, заставляя их покинуть атом. Процесс, таким образом, становится каскадным. Происходит формирование высокого положительного заряда, локализированного в атоме йода.
Согласно утверждениям ученых, именно за счет этого йод превращается в своего рода молекулярный аналог черной дыры, которая затягивает в себя электроны, находящиеся на соседних атомах. Сила притяжения, которая обусловлена электромагнитным взаимодействием, превышает силу, с которой астрономическая черная дыра могла бы подействовать на электроны массой в 10 Солнц. В процессе заполнения своих опустевших оболочек йод теряет почти весь свой отрицательный заряд. Весь процесс занимает считанные фемтосекунды, за счет чего данный тип ионизации является одним из наиболее быстрых.
Механизм, который предложили исследователи, и который получил название CREXIM, дает возможность прогнозировать экспериментальные данные. Это имеет большое значение, так как черные дыры провоцирует разрыв положительным зарядом (за счет силы отталкивания) молекулы на части, что приводит к искажению получаемого изображения. В этом процессе иодметан является модельной молекулой, по которой можно спрогнозировать поведение более сложных молекул.
