最強(qiáng)X射線激光轟擊單個(gè)分子：制造出“迷你黑洞”

堪薩斯州立大學(xué)的研究人員驚奇地發(fā)現(xiàn)，當(dāng)他們用世界上最強(qiáng)的X射線激光轟擊單個(gè)分子時(shí)，出現(xiàn)了一個(gè)“迷你黑洞”。這束強(qiáng)烈的激光從內(nèi)到外摧毀了分子，只留下一個(gè)空洞，類似太空中的黑洞，研究人員希望，這一出乎意料的結(jié)果或許將推動(dòng)病毒和細(xì)菌的整體成像技術(shù)發(fā)展，并幫助科學(xué)家開發(fā)新型藥物。

堪薩斯州立大學(xué)的研究者是在對(duì)一個(gè)小分子進(jìn)行X射線激光測(cè)試時(shí)制造出這個(gè)“分子黑洞”的。單束激光脈沖把分子中最大的原子從里到外差不多“清空”了，只留下幾個(gè)電子。此時(shí)該原子變成了一個(gè)空洞，正不斷將分子其他部分的電子拖進(jìn)去，就像黑洞在吞噬周圍螺旋形的物質(zhì)盤。

當(dāng)用直線加速器相干光源照射分子時(shí)，在30飛秒(千萬億分之一秒)內(nèi)，這個(gè)分子失去了超過50個(gè)電子，導(dǎo)致其發(fā)生爆炸。LCLS常用于生物學(xué)個(gè)體——包括病毒和細(xì)菌——的成像。研究人員希望通過這個(gè)分子黑洞的實(shí)驗(yàn)結(jié)果，可以更好地利用這種激光，進(jìn)行更多有價(jià)值的實(shí)驗(yàn)。

“對(duì)于任何使用強(qiáng)X射線對(duì)樣品進(jìn)行聚焦的實(shí)驗(yàn)而言，你都想要了解它如何對(duì)X射線做出反應(yīng)，”參與研究的丹尼爾·羅爾斯說，“這篇論文表明，我們可以了解小分子的輻射損傷，并對(duì)其進(jìn)行建模。因此，我們現(xiàn)在可以預(yù)測(cè)在其他系統(tǒng)中會(huì)出現(xiàn)什么樣的損傷。”

LCLS能夠以盡可能高的能量發(fā)出X射線，并在樣品被激光脈沖摧毀之前記錄下數(shù)據(jù)。論文共同作者Sebasien Boutet說：“它們的強(qiáng)度比你把所有陽光聚焦在地球表面上指甲大小的范圍內(nèi)還要強(qiáng)100倍以上。”

在這項(xiàng)研究中，研究人員用鏡子把X射線聚焦到一個(gè)直徑只有100納米——比人類頭發(fā)的寬度還小1000倍——的點(diǎn)上。他們觀察了3種類型的樣品，包括具有54個(gè)電子的單個(gè)氙原子，以及兩種都具有1個(gè)碘原子——擁有53個(gè)電子——的分子。

根據(jù)此前的研究結(jié)果，研究人員預(yù)計(jì)電子會(huì)從原子的外層落進(jìn)原子內(nèi)部。這一過程確實(shí)發(fā)生了，但實(shí)驗(yàn)并沒有就此停住。碘原子同樣會(huì)從附近的碳和氫原子中吸收電子，并最終失去總共54個(gè)電子。這一擾動(dòng)和損傷水平不僅超出了研究人員的預(yù)料，而且在本質(zhì)上也具有顯著的不同。

“我們認(rèn)為，這種效應(yīng)在較大的分子上更為重要，但我們還不知道如何定量測(cè)定它，”論文共同作者Artem Rudenko說，“估計(jì)有超過60個(gè)電子被清除，但我們不知道它在什么地方停下來，因?yàn)槲覀儫o法探測(cè)到分子解體時(shí)飛出來的所有碎片，所以也不知道有多少電子消失了。這是我們需要研究的開放性問題之一。”

目前，研究人員希望用LCLS對(duì)更復(fù)雜的系統(tǒng)進(jìn)行研究。LCLS的主管邁克·鄧恩說：“對(duì)于希望獲得高解析度生物分子圖像的科學(xué)家來說，這一研究有很重要的益處，比如，他們可以用這種方法開發(fā)出療效更好的藥物。”