Vědci vytvořili “molekulární černou díru”


Mezinárodní kolektiv vědců zkoumal účinky mimořádně intenzivních rentgenových paprsků. Pomocí speciálního laseru v Národní urychlovačové laboratoři (SLAC) na Stanford University změnil strukturu atomů v molekulách natolik, že přitahovaly okolní elektrony podobně, jako hmotu přitahují černé díry. Pozoruhodný experiment poskytl cenné zjištění pro takové rozličné odvětví jako je vývoj léčiv a solární energetika.

Informace přinesla oficiální stránka Národní urýchľovačové laboratoře. Psala o tom i kansaském státní univerzita. Studii zveřejnil vědecký časopis Nature.

Jak nepoškodit zobrazované objekty?

Kolektiv vedený vědci z Kansaské státní univerzity se v laboratoři SLAC zaměřil na chování individuálních atomů a molekul při tvrdém rentgenovém záření. Tedy takovém, jehož vlnové délky jsou kratší než 0,1 nm. Výzkumníci využili nejvýkonnější rentgenový laser na světě, zařízení LCLS (Linac Coherent Light Source).

Vědci nejprve testovali individuálně atomy xenonu. Prvky s podobně vysokou atomovou hmotností a velikostí mají velký význam v biochemických reakcích. A také jsou nápomocné při mikroskopickém zobrazování tkání nebo krystalových struktur látek – umožňují dosáhnout vyšší kontrast obrazu.

Nikdo ale dosud nezkoumal, jak na ně ovlivňují účinky mimořádně intenzivního rentgenového záření. Pochopit jeho účinky by umožnilo předcházet poškození při zkoumání mikroskopických objektů.

Laser zářivější než slunce

Laser LCLS dokáže paprsky vyzařovat v pulsech trvajících jen několik femtosekund neboli tisícin miliardtin sekundy. Výzkumníkům to umožňuje zobrazit ve vysokém rozlišení i mikroskopické nanokrystaly, viry a bakterie.

Záření laseru dosahuje intenzitu až 100 trilionů wattů na čtvereční centimetr. Jde o číslo s dvaceti nulami.

“Představte si, že všechny sluneční paprsky nasměrujete do jediného místa na Zemi. Jednotlivé pulsy jsou přibližně stokrát silnější než světlo, které do tohoto bodu dopadne za minutu, “vysvětluje Sebastien BOUTET působící v laboratoři SLAC.

Přesně namířený paprsek

Výzkumníci rentgenové paprsky koncentrovali do prostoru o průměru přibližně 100 nanometrů. Lidský vlas je tisíckrát silnější. Jde o stonásobně menší plochu, než u dosavadních experimentů.

Záření dopadalo na elektrony nacházející se nejblíže k jádru. Výsledkem byl dutý atom. Jde o nestabilní stav, při kterém orbitaly (oblasti výskytu elektronů) nedaleko jader zůstávají prázdné, zatímco ty vzdálenější jsou obsazeny.

Do prázdných vnitřních orbitalů rychle “přeskakovaly” elektrony z okraje atomu. Jenže rentgenové paprsky je vypudili stejně jako předešlé. V atomu xenonu nakonec z 54 elektronů zůstalo pouze několik těch nejsilněji vázaných.

“Černá díra” pohlcující elektrony

Vědci experiment zopakovali s atomy jódu v molekulách chemických sloučenin. Konkrétně šlo o jodmethan a jódbenzen. K velkému překvapení vědců, namísto dutých atomů po ozáření vznikl objekt, který připomínal chování vesmírných černých děr.

“Atom jódu měl po ztrátě většiny elektronů velmi silný náboj, v důsledku čehož přitahoval elektrony ze sousedních atomů vodíku a uhlíku. Rentgenový paprsek je následně jeden po druhém vypudil ven z molekuly, “vysvětluje jeden z dvojice vedoucích výzkumníků Artem Rudenko.

Proces vypuzovací pokračoval, dokud molekula neexplodovala.

Jód v molekule jódmetanu přišel v průběhu 30 femtosekund o 54 ze 62 elektronů. Včetně těch, které přitáhl ze sousedních atomů. Složitější molekula jódbenzenu ztratila ještě více elektronů. Úroveň poškození v obou případech výrazně překonala očekávání vědců, které vycházely z předešlých pokusů s méně intenzivním rentgenovým zářením. Poškození mělo zároveň zcela jinou povahu než předpokládali.

Výsledky pomohou zlepšit budoucí experimenty

“Tato studie ukazuje, že dokážeme porozumět a modelovat poškození, které záření způsobuje malým molekulám. Nyní budeme moci předpovídat, jaké škody způsobí v jiných systémech, “komentuje přínos studie druhý vedoucí výzkumník práce Daniel Rolles.

Pokus také přinesl nové světlo do problematiky toku elektrického náboje v molekulách vystaveným vysokým energiím. Výzkum v této oblasti je důležitý například pro radiační chemii a energetiku, především solární.

Experiment zároveň “významně pomůže vědcům, kteří se snaží dosáhnout co nejlepší zobrazení biologických molekul, například při vývoji nových léčiv,” dodává Mike Dunne, vedoucí pracovník zařízení LCLS. Vědec uzavírá, že pokusy tohoto typu výrazně pomohou při konstrukci jeho vylepšené verze, LCLS-II.

Autor: Mirek Jurčík pro živé.sk