Nuovi progressi nella scienza dei raggi X ultra veloci

Un team di ricerca con sede in Germania sta usando una nuova fonte compatta di raggi X per gettare nuova luce su importanti questioni della biologia strutturale.

Finora i raggi di elettroni ultra brevi, che sono usati in molti modi nell’imaging scientifico, potevano essere prodotti solo con attrezzature costose, ad alto consumo di energia e grandi grossomodo quanto un’automobile. Un team della Deutsches Elektronen-Synchrotron (DESY), il sincrotrone tedesco, e del Massachusetts Institute of Technology (MIT) negli Stati Uniti, ha prodotto un dispositivo delle dimensioni di una scatola di fiammiferi che potrebbe consentire una serie di applicazioni per il mondo accademico e l’industria.

Nell’ambito del progetto AXSIS (Attosecond X-ray Science: Imaging and Spectroscopy), finanziato dall’UE, il team di DESY, insieme all’Università di Amburgo, sta usando questo dispositivo come foto iniettore per un nuovo laser all’attosecondo a elettroni liberi da usare su un piano. Con questo, stanno registrando brevi sequenze di processi chimici, fisici e, soprattutto, biologici.

La vita non è mai statica e molte delle più importanti reazioni nel campo della chimica e della biologia sono indotte dalla luce e avvengono su scale temporali ultraveloci, secondo i ricercatori. Queste reazioni sono state studiate con un’alta risoluzione temporale principalmente per mezzo della spettroscopia laser ultraveloce, ma questo riduce la vasta complessità del processo ad appena un paio di coordinate di reazione.

Rivoluzionare le nostre conoscenze

Il team di AXSIS, coordinato da Franz Kaertner, professore di Fisica presso l’Università di Amburgo, ha sviluppato cristallografia e spettroscopia seriale all’attosecondo che possono fornire una descrizione completa di processi ultraveloci determinati a livello atomico nello spazio reale e su un panorama di energia elettronica. Credono che questa nuova tecnica rivoluzionerà le nostre conoscenze della struttura e della funzione a livello atomico e molecolare e contribuirà a spiegare processi fondamentali della chimica e della biologia.

La tecnica comporta l’applicazione di una fonte di raggi X all’attosecondo completamente coerente basata sulla diffusione inversa coerente di Compton da un cristallo a elettroni liberi, sviluppato dal progetto, per superare gli effetti del danno da radiazione causato dall’alta irradiazione con raggi X necessaria per catturare i segnali di diffrazione.

Ottimizzare la strumentazione

Il team inoltre sta usando questo vantaggio per ottimizzare l’intera strumentazione per misurazioni fondamentali dell’assorbimento della luce e dell’eccitazione del trasferimento di energia. Questa comprende parametri di impulsi a raggi X, in associazione con la consegna del campione e le dimensioni del cristallo oltre a avanzati rilevatori di raggi X.

L’obiettivo finale sarà applicare le nuove capacità ad alcuni dei problemi fondamentali della biologia, come lo studio delle dinamiche delle reazioni della luce, il trasferimento di elettroni e la struttura delle proteine nella fotosintesi.

Il team di AXSIS ha pubblicato i risultati recentemente sulla rivista “Optica”. Il progetto ha ricevuto quasi 14 milioni di euro in finanziamenti dall’UE e continuerà fino a luglio 2020.

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