El dispositivo láser duro de rayos X de electrones libres puede hacer películas para moléculas

Recientemente, como una prioridad del "13.o Plan Quinquenal para la Construcción Nacional de Infraestructura de Ciencia y Tecnología Importante", se aprobó el Dispositivo Láser de Electrones Libres de Rayos X (XFEL) más difícil, la mayor inversión en infraestructura de ciencia y tecnología en China. . Este tipo de dispositivo es llamado "cámara de alta velocidad" por los científicos llamada revista "Nature" porque puede ayudar a los científicos a ver el mundo microscópico en la escala atómica e incluso en la escala electrónica.

Dado que el movimiento de átomos y electrones es demasiado rápido, los humanos nunca han visto cómo se mueven. XFEL puede capturar imágenes instantáneas del mundo microscópico y puede reproducirse lentamente, lo que permite a los científicos comprender los misterios. Se ha convertido en una herramienta de investigación científica desarrollada por varios países.

Recientemente se aprobó el dispositivo láser de rayos X de electrones libres (XFEL) más resistente, la mayor inversión en infraestructura de ciencia y tecnología en China hasta la fecha. El sitio está ubicado en el área central del Centro Nacional de Ciencias Integrales de Shanghai Zhangjiang. La unidad de 3,1 kilómetros de largo construirá un túnel subterráneo con una profundidad de unos 30 metros, a lo largo de Luoshan Road en la Nueva Área de Pudong, y se extenderá hasta el Parque de la Universidad de Ciencia y Tecnología de Shanghai.

Ya en 2009, Estados Unidos construyó el primer XFEL del mundo. En los últimos años, Japón, Suiza y Corea del Sur están intensificando su investigación y desarrollo. En septiembre del año pasado, los 12 países europeos invirtieron conjuntamente 1.200 millones de euros y construyeron el primer lote de experimentos en Europa XFEL cerca de Hamburgo, Alemania.

Los rayos X proporcionados por el dispositivo láser de rayos X duros de electrones libres pueden ser decenas de miles de veces más brillantes que la fuente de radiación de sincrotrón de tercera generación, lo que ayuda a los científicos a ver el mundo atómico e incluso el mundo microscópico en la escala electrónica. Llevar "fotos moleculares" al nivel de "película molecular" se ha convertido en un punto caliente para los científicos de todo el mundo. La revista británica Nature llamó a este dispositivo una "cámara de alta velocidad" para científicos.

Resolución de tiempo ultrarrápida que los rayos X normales

Cuando un electrón en movimiento de alta velocidad es desviado por un campo magnético, emite radiación de sincrotrón en una dirección tangencial, que es 10,000 veces más fuerte que los rayos X ordinarios. Los láseres de rayos X de electrones libres son más fuertes que la radiación de sincrotrón, que es un láser que emite electrones de alta energía en la dirección de avance cuando se somete a un campo magnético.

El láser de electrones libres de rayos X se divide en rayos X suaves y duros de acuerdo con diferentes energías y longitudes de onda. Esta última tiene un brillo más alto, decenas de miles de veces más alto que la radiación síncrona, y su longitud de onda puede alcanzar varios nanómetros (10 metros).

En comparación con la radiación de sincrotrón, los láseres de electrones libres de rayos X tienen mayor brillo, estructura de pulso más corta y mejor coherencia. La radiación de sincrotrón puede ver la estructura del nivel molecular, mientras que el láser de electrones libres de rayos X duros puede ver la estructura del nivel atómico. ¿Cuál es la diferencia? Si la radiación de sincrotrón puede ver la superficie de un edificio, entonces un láser de electrones libres de rayos X duros puede ver lo que sucede en cada ventana.

Obviamente, XFEL puede ayudar a los científicos a ver el microcosmos que nunca antes habían visto, y algunas especulaciones científicas pueden resolver el misterio. Aunque todavía hay mucho margen de mejora en el rendimiento del XFEL existente, los científicos han utilizado esta fuente de superluz para obtener nuevos descubrimientos. Por ejemplo, el equipo cruzado internacional dirigido por el investigador Huaqiang Xu del Instituto de Materia Médica de Shanghai, Academia de Ciencias de China, a través de una investigación conjunta, analizó con éxito la rodopsina fosforilada y los complejos represores utilizando XFEL del Stanford Linear Accelerator Center (SLAC) National Laboratorio Acelerador. La estructura cristalina ha superado importantes problemas científicos en el campo de la señalización celular. Con la mejora y mejora de los métodos de análisis de datos, utilizó el mismo conjunto de datos y tuvo dos descubrimientos importantes. Los artículos fueron publicados en la revista estadounidense Cell. Esto también ilustra por un lado que XFEL aportará valiosos datos de investigación a los descubrimientos científicos.

En los últimos diez años, científicos de todo el mundo han estado buscando este tipo de láser y mejorando constantemente su rendimiento, con la esperanza de promover más profundamente la comprensión humana de la naturaleza. El pasado mes de septiembre, el XFEL, que fue invertido conjuntamente por 12 países europeos, comenzó sus primeros experimentos cerca de Hamburgo, Alemania, con una energía de 17,5GeV (109eV) y 27.000 pulsos por segundo. La energía XFEL construida en los Estados Unidos en 2009 alcanzó los 14.5GeV, y ahora está comenzando a construir una versión mejorada. Aunque el índice de energía es 4GeV, puede emitir 1 millón de pulsos por segundo, que es 10.000 veces el del dispositivo actual. La energía XFEL recién lanzada en China es 8GeV, que puede producir fotones de muy alta calidad. También tendrá una resolución espacial ultra alta a nanoescala y una resolución de tiempo ultrarrápida en femto segundos (10 segundos).

¿Qué pueden hacer los científicos con los láseres de electrones libres de rayos X duros? En el XFEL temprano, los científicos podían recolectar alrededor de 100 rayos X por segundo, y en la estación europea XFEL recién lanzada, los científicos podían recolectar más de 3000 rayos X de alta calidad por segundo. Entonces, si el número de pulsos es de hasta un millón, ¿cuántas imágenes microscópicas del microcosmos se le traerán al científico?

Es bien sabido que una imagen de 24 cuadros por segundo puede formar una imagen en movimiento visualmente continua, es decir, la película más básica. Cuando la imagen por segundo supera los 1000 fotogramas, entra en el nivel de una cámara de alta velocidad. Millones de pulsos por segundo significan que probablemente hay hasta 100.000 rayos X por segundo, lo que es verdaderamente una cámara de súper alta velocidad.

En general, la calidad de imagen de las cámaras de alta velocidad no es muy alta, pero la resolución actual de la cámara de alta velocidad XFEL ha alcanzado el nivel de 100 nanómetros y alcanzará el nivel nano en el futuro.

¿Por qué los científicos necesitan cámaras HD de alta velocidad? Eso es porque el movimiento de átomos y electrones es demasiado rápido. Los humanos nunca han visto cómo se mueven. Solo pueden ver una nube de electrones, la trayectoria de niebla formada por el rápido movimiento de los electrones. Es como artes marciales. En la novela, hay una palma colorida, una red cibernética o un puño de dios sin sombras. Se espera que XFEL capture este proceso y permita que los científicos lo reproduzcan lentamente, para aclarar los misterios del proceso y para ver claramente los cambios dinámicos de los electrones y las estructuras atómicas, como la forma en que los electrones pasan de una molécula a otra. Equivale a presentar el micromundo frente a la gente, y esto todavía no es posible en la actualidad.

El nuevo descubrimiento probablemente subvertirá muchas de las cogniciones científicas anteriores, porque ahora solo podemos ver imágenes vagas, y solo podemos usar la imagen promedio para adivinar el mundo real de partículas microscópicas. Por ejemplo, cómo ocurre la superconductividad, cómo funcionan las moléculas de proteína de la "máquina de vida", cómo se forman los enlaces químicos en las reacciones químicas, etc. Los científicos han utilizado esta fuente de luz para eliminar los electrones del átomo de yodo en la molécula de yoduro de metilo (CH3I) casi por completo, de modo que el átomo de yodo atrae los electrones metílicos como el electromagnético de un agujero negro, y su tiempo de respuesta es de femto segundo. nivel. Los hallazgos fueron publicados en la revista británica Nature en junio del año pasado.

Dado que el láser de electrones libres emite luz en la dirección del avance de los electrones, no puede dibujar un rayo de luz alrededor de un anillo grande como la radiación de sincrotrón y construye docenas de estaciones de línea experimentales, pero solo permite la luz. Ligeramente desviado, dividido en un número limitado de paquetes, conectado a la estación experimental (el número generalmente no es más de diez). Esto también lo hace particularmente valioso.

General XFEL incluye túneles de aceleradores lineales, túneles onduladores, túneles de líneas de luz y dispositivos de usuario. Para obtener electrones de mayor energía, se requiere una mayor distancia de aceleración de electrones, por lo que el dispositivo será cada vez más largo. Para acortar la distancia de la aceleración de electrones, un acelerador basado en superconductores se está convirtiendo en la corriente principal de la construcción XFEL en el mundo.

XFEL, que está a punto de construirse en Shanghái, también utiliza aceleradores superconductores para convertirse en uno de los dispositivos de usuario láser electrónicos gratuitos más eficientes y avanzados del mundo.

Después de la instalación, el dispositivo proporcionará métodos de investigación de vanguardia, como imágenes de alta resolución, exploración de procesos ultrarrápida y análisis estructural avanzado para física, química, ciencias de la vida, ciencia de materiales y ciencia de la energía. El área de Zhangjiang también se convertirá en una montaña de investigación fotónica internacional en la misma área con un grupo de fuentes de radiación de sincrotrón, láseres de electrones libres de rayos X suaves, láseres de electrones libres de rayos X duros y láseres ultracortos ultrarresistentes.

El proyecto también intentará romper los muros de las universidades y los institutos de investigación, colaborar con un gran número de empresas de alta tecnología y "reunir fuerzas para hacer grandes cosas" en el área de Zhangjiang. El reportero se enteró de que debido a que muchas tecnologías de XFEL deben desafiar los límites, tendrá un efecto de tracción significativo en la mejora de la industria de fabricación de alta gama de China.

Uso de láser de electrones libres de rayos X duros

El primer experimento de XFEL

Los láseres de electrones libres comienzan con el descubrimiento de los átomos. La investigación fue publicada en la edición del 1 de julio de 2010 de la revista británica Nature.

Estudiar proteínas que son difíciles de cristalizar.

El equipo cruzado internacional dirigido por Huaqiang Xu, investigador del Instituto de Materia Médica de Shanghai, Academia de Ciencias de China, ha resuelto el problema de la señalización celular utilizando los datos de la estructura cristalina de la rodopsina fosforilada y los complejos represores analizados por el X más fuerte del mundo. -Rayo láser problema científico mayor. El gran logro se publicó en el American Journal of Cell el 28 de julio de 2017 como artículo de portada.

Ver la estructura atómica

El láser de electrones libres de rayos X de intensidad extremadamente alta expulsa 54 (62) electrones del átomo de yodo (derecha) de la molécula de yoduro de metilo CH3I, lo que hace que atraiga los electrones de metilo (izquierda) como el agujero negro electromagnético, y su respuesta el tiempo está dentro del femto segundo. El estudio fue publicado en la revista británica Nature el 1 de junio de 2017.

Revelar el mecanismo de la reacción química.

Captura el momento de formación de enlaces químicos. Los resultados de la investigación se publicaron en la edición del 12 de febrero de 2015 de la revista estadounidense Science.

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