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世界最强X射线激光制造出“迷你黑洞”

2017-06-06 09:15
人在旅途20
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堪萨斯州立大学的研究人员惊奇地发现,当他们用世界上最强的X射线激光轰击单个分子时,出现了一个“迷你黑洞”。这束强烈的激光从内到外摧毁了分子,只留下一个空洞,类似太空中的黑洞,研究人员希望,这一出乎意料的结果或许将推动病毒和细菌的整体成像技术发展,并帮助科学家开发新型药物。

堪萨斯州立大学的研究者是在对一个小分子进行X射线激光测试时制造出这个“分子黑洞”的。单束激光脉冲把分子中最大的原子从里到外差不多“清空”了,只留下几个电子。此时该原子变成了一个空洞,正不断将分子其他部分的电子拖进去,就像黑洞在吞噬周围螺旋形的物质盘。

堪萨斯州立大学的研究人员惊奇地发现,当他们用世界上最强的X射线激光轰击单个分子时,出现了一个“迷你黑洞”。

当用直线加速器相干光源(Linac Coherent Light Source,LCLS)照射分子时,在30飞秒(千万亿分之一秒)内,这个分子失去了超过50个电子,导致其发生爆炸。LCLS常用于生物学个体——包括病毒和细菌——的成像。研究人员希望通过这个分子黑洞的实验结果,可以更好地利用这种激光,进行更多有价值的实验。

直线加速器相干光源(Linac Coherent Light Source,LCLS)能够以尽可能高的能量发出X射线,并在样品被激光脉冲摧毁之前记录下数据。

“对于任何使用强X射线对样品进行聚焦的实验而言,你都想要了解它如何对X射线做出反应,”参与研究的丹尼尔·罗尔斯(Daniel Rolles)说,“这篇论文表明,我们可以了解小分子的辐射损伤,并对其进行建模。因此,我们现在可以预测在其他系统中会出现什么样的损伤。”

单束激光脉冲把分子中最大的原子从里到外差不多“清空”了,只留下几个电子。此时该原子变成了一个空洞,正不断将分子其他部分的电子拖进去,就像黑洞在吞噬周围螺旋形的物质盘。

LCLS能够以尽可能高的能量发出X射线,并在样品被激光脉冲摧毁之前记录下数据。论文共同作者Sebasien Boutet说:“它们的强度比你把所有阳光聚焦在地球表面上指甲大小的范围内还要强100倍以上。”

在这项研究中,研究人员用镜子把X射线聚焦到一个直径只有100纳米——比人类头发的宽度还小1000倍——的点上。他们观察了3种类型的样品,包括具有54个电子的单个氙原子,以及两种都具有1个碘原子——拥有53个电子——的分子。

根据此前的研究结果,研究人员预计电子会从原子的外层落进原子内部。这一过程确实发生了,但实验并没有就此停住。碘原子同样会从附近的碳和氢原子中吸收电子,并最终失去总共54个电子。这一扰动和损伤水平不仅超出了研究人员的预料,而且在本质上也具有显著的不同。

“我们认为,这种效应在较大的分子上更为重要,但我们还不知道如何定量测定它,”论文共同作者Artem Rudenko说,“估计有超过60个电子被清除,但我们不知道它在什么地方停下来,因为我们无法探测到分子解体时飞出来的所有碎片,所以也不知道有多少电子消失了。这是我们需要研究的开放性问题之一。”

目前,研究人员希望用LCLS对更复杂的系统进行研究。LCLS的主管迈克·邓恩(Mike Dunne)说:“对于希望获得高解析度生物分子图像的科学家来说,这一研究有很重要的益处,比如,他们可以用这种方法开发出疗效更好的药物。”

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