16:23 2022-01-19
science - citeste alte articole pe aceeasi tema
Comentarii Adauga Comentariu
_ Algoritmi avansați plus laserul cu raze X excepționale dezvăluie structuri din materiale nu atât de îngrijite și ordonate
_ Algoritmi avansați plus excepțional X- laserul cu raze dezvăluie structuri din materiale nu atât de îngrijite și ordonate
Francis Crick, care a descoperit în comun forma ADN-ului, a spus odată: „Dacă vrei să înțelegi funcția, studiază structura”. Multe decenii mai târziu, acesta rămâne un principiu al biologiei, chimiei și științei materialelor.
O descoperire cheie în căutarea structurii ADN-ului a venit din cristalografia cu raze X, o tehnică care cartografiază densitatea electronilor într-un moleculă bazată pe modul în care fasciculele de radiație de raze X difractează prin spațiile dintre atomi din probă. Modelele de difracție generate de cristalografie pot fi apoi utilizate pentru a deduce structura moleculară globală. Datorită unui flux constant de progrese de-a lungul deceniilor, cristalografia cu raze X este acum exponențial mai puternică decât era pe vremea lui Crick și poate chiar să dezvăluie plasarea atomilor individuali.
Cu toate acestea, procesul nu este ușor. . După cum sugerează și numele, necesită cristale - în special, mostre purificate ale moleculei de interes, coaxiate într-o formă de cristal. Și nu toate moleculele formează cristale pregătite pentru imagine.
„Cristalografia cu raze X este cea mai simplă atunci când materialul poate fi crescut într-un singur cristal mare”, a spus Nicholas Sauter, om de știință în domeniul computerelor la Lawrence Berkeley National Laborator (Berkeley Lab), în divizia de Biofizică Moleculară și Bioimagini Integrate (MBIB). „Cu toate acestea, majoritatea substanțelor formează în schimb pulberi compuse din granule mici, ale căror modele de difracție a razelor X sunt mai greu de dezlegat.”
Sauter co-conduce o echipă care lucrează pentru a oferi oamenilor de știință o modalitate mai bună de a studia structuri ale numeroaselor materiale care nu formează monocristale ordonate, cum ar fi absorbanții solari și cadrele metal-organice: două grupuri de materiale diverse cu potențial uriaș pentru combaterea schimbărilor climatice și producerea de energie regenerabilă.
Noua lor tehnică. , numită cristalografie cu raze X femtosecunde în serie cu molecule mici, sau smSFX, supraalimentează cristalografia tradițională cu adăugarea de algoritmi de procesare a imaginilor personalizați și un laser cu electroni liberi cu raze X (XFEL). XFEL, construit dintr-o fuziune a acceleratorului de particule și a fizicii bazate pe laser, poate îndrepta fascicule de raze X care sunt mult mai puternice, concentrate și rapide decât alte surse de raze X pentru cristalografie. Întregul proces, de la pulsul de raze X la imaginea de difracție, este finalizat în câteva cvadrilioane de secundă.
„Este difracția înainte de distrugere”, a spus Daniel Paley, om de știință al proiectului MBIB și autor al echipei. noua lucrare, publicata astazi in Nature[link]. „Ideea este că cristalul va exploda instantaneu atunci când este lovit de acest fascicul de fotoni, dar cu un puls de femtosecundă, colectezi toate datele de difracție înainte să se producă deteriorarea. Este foarte cool.”
Paley și co-liderul Aaron Brewster, un cercetător în cadrul MBIB, au dezvoltat algoritmii necesari pentru a converti datele XFEL în modele de difracție de înaltă calitate care pot fi analizate pentru a dezvălui celula unitate - unitatea de bază a unui cristal care se repetă iar și iar în trei dimensiuni — din fiecare grăunț cristalin minuscul din eșantion.
Când ai o pulbere adevărată, a explicat Paley, este ca și cum ai avea un milion de cristale care sunt toate amestecate, pline de imperfecțiuni și amestecate în fiecare posibila orientare. În loc să difracteze întregul amestec și să obțină o citire tulbure a densităților de electroni, cum ar fi tehnicile existente de difracție pe pulbere, smSFX este atât de precis încât poate difracta granulele individuale, una câte una. „Acest lucru îi conferă un efect special de ascuțire”, a spus el. „Deci acesta este de fapt genul de sos secret al acestei metode. În mod normal, împușci toate milioanele deodată, dar acum împuști 10.000, toate în secvență.”
Vișina de deasupra este că smSFX se realizează fără a îngheța proba sau a o expune la vid - un alt beneficiu pentru materialele delicate studiate de oamenii de știință din materiale. „Nu este necesară nicio cameră de vid elegantă”, a spus Sauter.
În noul studiu, echipa a demonstrat dovada principiului pentru smSFX, apoi a făcut un pas mai departe. Ei au raportat structurile necunoscute anterior a două materiale metal-organice cunoscute sub numele de chacogenolați. Nathan Hohman, un fizician chimist la Universitatea din Connecticut și al treilea co-lider al proiectului, studiază chacogenolații pentru proprietățile lor semiconductoare și de interacțiune cu lumina, ceea ce i-ar putea face ideali pentru tranzistoarele de generație următoare, fotovoltaice (celule solare și panouri), stocarea energiei. dispozitive și senzori.
„Fiecare dintre acestea este un fulg de zăpadă special – creșterea lor este cu adevărat dificilă”, a spus Hohman. Cu smSFX, el și studenta absolventă Elyse Schriber au reușit să difracteze cu succes chacogenolații de pulbere și să examineze structurile pentru a afla de ce unele dintre materialele pe bază de argint strălucesc albastru strălucitor sub lumina UV, un fenomen pe care oamenii de știință îl compară cu afecțiune cu sabia lui Frodo din The Lord. a Inelelor.
„Există o gamă uriașă de dinamică fizică și chiar chimică fascinantă care are loc la scale de timp ultrarapide, iar experimentul nostru ar putea ajuta la conectarea punctelor dintre structura unui material și funcția acestuia”, a spus Schriber. , un afiliat Berkeley Lab și cercetător în laboratorul lui Hohman. „După ce sunt aduse îmbunătățiri suplimentare pentru a eficientiza procesul smSFX, ne putem imagina programe care să ofere această tehnică altor cercetători. Aceste tipuri de programe sunt esențiale pentru creșterea accesului la sursele de lumină, în special pentru universitățile și colegiile mai mici.”
Comentarii:
Adauga Comentariu