Жесткое рентгеновское устройство с лазером на свободных электронах может снимать фильмы о молекулах

Недавно в качестве приоритета «13-го пятилетнего плана строительства крупной национальной научно-технической инфраструктуры» было одобрено самое твердое лазерное устройство на свободных электронах (XFEL), крупнейшее вложение в научно-техническую инфраструктуру в Китае. . Такое устройство ученые называют «высокоскоростной камерой» в журнале «Nature», потому что оно может помочь ученым увидеть микроскопический мир в атомном масштабе и даже в электронном масштабе.

Поскольку движение атомов и электронов слишком быстрое, люди никогда не видели, как они движутся. XFEL может захватывать мгновенные изображения микроскопического мира и может воспроизводиться медленно, что позволяет ученым разгадывать загадки. Он стал инструментом научных исследований, разработанным в разных странах.

Недавно было одобрено самое твердое лазерное устройство на свободных электронах (XFEL), крупнейшая инвестиция в научно-техническую инфраструктуру в Китае на сегодняшний день. Сайт расположен в центральной части Шанхайского национального научного центра Чжанцзян. Блок длиной 3,1 км построит подземный туннель глубиной около 30 метров вдоль дороги Луошань в новом районе Пудун и простирается до парка науки и технологий Шанхайского университета.

Еще в 2009 году Соединенные Штаты построили первый в мире XFEL. В последние годы Япония, Швейцария и Южная Корея активизируют свои исследования и разработки. В сентябре прошлого года 12 европейских стран совместно инвестировали 1,2 миллиарда евро и построили первую серию экспериментов в Европе XFEL недалеко от Гамбурга, Германия.

Рентгеновское излучение, создаваемое жестким рентгеновским лазерным устройством на свободных электронах, может быть в десятки тысяч раз ярче, чем источник синхротронного излучения третьего поколения, что помогает ученым увидеть атомный мир и даже микроскопический мир в электронном масштабе. Превращение «молекулярных фотографий» в «молекулярную пленку» стало горячей точкой для ученых всего мира. Британский журнал Nature назвал это устройство «скоростной камерой» для ученых.

Сверхвысокое разрешение по времени, чем у обычных рентгеновских лучей

Когда быстро движущийся электрон отклоняется магнитным полем, он испускает синхротронное излучение в тангенциальном направлении, которое в 10 000 раз сильнее, чем обычное рентгеновское излучение. Рентгеновские лазеры на свободных электронах сильнее синхротронного излучения, которое представляет собой лазер, который испускает высокоэнергетические электроны в прямом направлении под воздействием магнитного поля.

Рентгеновский лазер на свободных электронах делится на мягкий и жесткий рентгеновский луч в зависимости от энергии и длины волны. Последний имеет более высокую яркость, в десятки тысяч раз выше, чем синхронное излучение, а его длина волны может достигать нескольких нанометров (10 метров).

По сравнению с синхротронным излучением, рентгеновские лазеры на свободных электронах имеют более высокую яркость, более короткую структуру импульса и лучшую когерентность. Синхротронное излучение может видеть структуру молекулярных уровней, в то время как жесткий рентгеновский лазер на свободных электронах может видеть структуру атомных уровней. В чем разница? Если синхротронное излучение может видеть поверхность здания, то жесткий рентгеновский лазер на свободных электронах может видеть, что происходит в каждом окне.

Очевидно, что XFEL может помочь ученым увидеть микрокосм, которого они никогда раньше не видели, и некоторые научные предположения могут решить эту загадку. Хотя есть еще много возможностей для улучшения существующих характеристик XFEL, ученые использовали этот сверхсветовой источник для некоторых новых открытий. Например, международная кросс-группа во главе с исследователем Хуацян Сюй из Шанхайского института Materia Medica Китайской академии наук посредством совместных исследований успешно проанализировала фосфорилированный родопсин и репрессорные комплексы с использованием XFEL из Стэнфордского центра линейных ускорителей (SLAC) National Ускорительная лаборатория. Кристаллическая структура преодолела основные научные проблемы в области передачи сигналов клеток. С усовершенствованием и усовершенствованием методов анализа данных он использовал тот же набор данных и сделал два важных открытия. Статьи были опубликованы в американском журнале Cell. Это также показывает с одной стороны, что XFEL принесет ценные исследовательские данные для научных открытий.

В течение последних десяти лет ученые всего мира занимались разработкой этого типа лазера и постоянно улучшали его характеристики, надеясь на более глубокое понимание человеком природы. Только в сентябре прошлого года XFEL, в который совместно инвестировали 12 европейских стран, начал свои первые эксперименты недалеко от Гамбурга, Германия, с энергией 17,5 ГэВ (109 эВ) и 27 000 импульсов в секунду. Энергия XFEL, построенная в Соединенных Штатах в 2009 году, достигла 14,5 ГэВ, и теперь компания начинает создавать модернизированную версию. Хотя индекс энергии составляет 4 ГэВ, он может излучать 1 миллион импульсов в секунду, что в 10 000 раз больше, чем у текущего устройства. Недавно запущенная в Китае энергия XFEL составляет 8 ГэВ, что позволяет производить фотоны очень высокого качества. Он также будет иметь сверхвысокое пространственное разрешение в наномасштабе и сверхбыстрое фемтосекундное (10-секундное) разрешение по времени.

Что ученые могут сделать с жесткими рентгеновскими лазерами на свободных электронах? В раннем XFEL ученые могли собирать около 100 рентгеновских лучей в секунду, а на недавно запущенной европейской станции XFEL ученые могли собирать более 3000 высококачественных рентгеновских лучей в секунду. Итак, если количество импульсов до миллиона, сколько микроскопических изображений микромира будет доставлено ученому?

Хорошо известно, что изображение с 24 кадрами в секунду может формировать визуально непрерывное движущееся изображение, то есть самый простой фильм. Когда изображение в секунду превышает 1000 кадров, оно переходит на уровень высокоскоростной камеры. Миллионы импульсов в секунду означают, что, вероятно, происходит до 100 000 рентгеновских лучей в секунду, что действительно является сверхскоростной камерой.

В целом качество изображения высокоскоростных камер не очень высокое, но текущее разрешение высокоскоростных камер XFEL достигло уровня 100 нанометров и в будущем выйдет на наноуровень.

Зачем ученым такие скоростные HD-камеры? Это потому, что движение атомов и электронов слишком быстрое. Люди никогда не видели, как они двигаются. Они могут видеть только облако электронов - туман траектории, образованный быстрым движением электронов. Это похоже на боевые искусства. В романе есть красочная пальма, кибернетическая сеть или божий кулак без тени. Ожидается, что XFEL зафиксирует этот процесс и позволит ученым медленно воспроизвести, чтобы прояснить загадки процесса и ясно увидеть динамические изменения электронов и атомных структур, например, как электроны бегут от одной молекулы к другой. Это равносильно представлению микромира перед людьми, и в настоящее время это все еще невозможно.

Новое открытие, вероятно, подорвет многие предыдущие научные познания, потому что сейчас мы можем видеть только расплывчатые изображения, и мы можем использовать только среднее изображение, чтобы угадать реальный мир микроскопических частиц. Например, как возникает сверхпроводимость, как работают белковые молекулы «машины жизни», как образуются химические связи в химических реакциях и так далее. Ученые использовали этот источник света, чтобы почти полностью выбить электроны из атома йода в молекуле йодистого метила (CH3I), так что атом йода притягивает электроны метила, как электромагнит черной дыры, и время его отклика составляет фемтосекунду. уровень. Результаты были опубликованы в британском журнале Nature в июне прошлого года.

Поскольку лазер на свободных электронах излучает свет в направлении движения электронов, он не может направлять луч света вокруг большого кольца, как синхротронное излучение, и строит десятки экспериментальных линейных станций, но пропускает только свет. Слегка отклоненные, разделенные на ограниченное количество жгутов, подключенных к экспериментальной станции (количество обычно не более десяти). Это также делает его особенно ценным.

General XFEL включает туннели линейных ускорителей, туннели ондуляторов, туннели лучей и пользовательские устройства. Чтобы получить электроны с более высокой энергией, требуется большее расстояние ускорения электронов, поэтому устройство будет все длиннее и длиннее. Чтобы сократить расстояние ускорения электронов, ускоритель на основе сверхпроводимости становится основным направлением создания XFEL в мире.

XFEL, который собираются построить в Шанхае, также использует сверхпроводящие ускорители, чтобы стать одним из самых эффективных и современных электронных устройств пользователя лазеров в мире.

После установки устройство будет предоставлять передовые методы исследования, такие как получение изображений с высоким разрешением, сверхбыстрое исследование процессов и расширенный структурный анализ для физики, химии, наук о жизни, материаловедения и энергетики. Область Чжанцзян также станет высокогорью международных исследований фотоники в той же области с кластером источников синхротронного излучения, мягкими рентгеновскими лазерами на свободных электронах, жесткими рентгеновскими лазерами на свободных электронах и сверхсильными ультракороткими лазерами.

Проект также попытается разрушить стены университетов и исследовательских институтов, объединить усилия с большим количеством высокотехнологичных предприятий и «собрать силы для больших дел» в районе Чжанцзян. Репортер узнал, что, поскольку многие технологии XFEL должны преодолевать ограничения, они окажут значительное влияние на улучшение высокотехнологичной обрабатывающей промышленности Китая.

Использование жесткого рентгеновского лазера на свободных электронах

Первый эксперимент XFEL

Лазеры на свободных электронах начинаются с открытия атомов. Исследование было опубликовано в выпуске британского журнала Nature от 1 июля 2010 года.

Изучите белки, которые трудно кристаллизовать

Международная кросс-группа во главе с Хуацян Сюй, исследователем из Шанхайского института Materia Medica Китайской академии наук, решила проблему передачи сигналов клеток, используя данные кристаллической структуры фосфорилированного родопсина и репрессорных комплексов, проанализированные сильнейшим в мире X -лучевой лазер крупная научная проблема. Прорывное достижение было опубликовано в американском журнале Cell 28 июля 2017 года в качестве прикрытия.

Посмотреть атомную структуру

Рентгеновский лазер с очень высокой интенсивностью излучения на свободных электронах выбивает 54 (62) электрона из атома йода (справа) молекулы метилиодида CH3I, заставляя его притягивать метильные (левые) электроны, как электромагнитная черная дыра, и его реакция время находится в пределах фемтосекунды. Исследование было опубликовано в британском журнале Nature 1 июня 2017 года.

Раскрыть механизм химической реакции

Фиксируйте момент образования химической связи. Результаты исследования опубликованы в выпуске американского журнала Science от 12 февраля 2015 года.

Страница содержит содержимое машинного перевода.