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Frontiers in Attosecond X-ray Science: Imaging and Spectroscopy

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Nuove tecniche a raggi X ultraveloci potrebbero catturare il movimento di elettroni a livello molecolare

Alcuni scienziati finanziati dall’UE stanno lavorando per produrre lampi di raggi X e di elettroni estremamente brevi che potrebbero consentire loro di studiare in che modo gli elettroni che si muovono attorno alle molecole innescano reazioni complesse in biologia e chimica. I ricercatori sperano di visualizzare come le piante e i batteri usano l’energia solare durante la fotosintesi. Ciò potrebbe anche portare a una soluzione sostenibile di stoccaggio dell’energia.

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La vita non è mai statica ed è più luminosa di quanto pensiamo: molte delle reazioni più importanti in chimica e biologia sono indotte dalla luce e si verificano su scale temporali ultraveloci. In nessun luogo questo è più evidente che nelle reazioni sfuggenti della fotosintesi che sostengono la vita delle piante. I ricercatori attualmente si stanno concentrando sulla comprensione della cosiddetta reazione enzimatica del fotosistema II che consente alle piante di dividere l’acqua in idrogeno e ossigeno in modi ancora sconosciuti. «Una comprensione più dettagliata di questa reazione paventerebbe la possibilità di attuare artificialmente questo processo efficiente. Composizioni molecolari complesse che immagazzinano energia luminosa proprio come fa la natura potrebbero un giorno offrire una soluzione di stoccaggio dell’energia praticabile», osserva Franz Kaertner, il ricercatore principale che ha ricevuto una sovvenzione dal Consiglio europeo della ricerca (CER) per guidare il progetto AXSIS. Il progetto potrebbe contribuire a portare tali risposte chimiche ultraveloci alla luce grazie a sviluppi innovativi relativi alle sorgenti di raggi X ad attosecondi compatti (un attosecondo è un quintillionesimo di secondo) e acceleratori terahertz.

Scienza dei raggi X ultraveloci per visualizzare i processi molecolari

Gli scienziati di AXSIS hanno utilizzato la cristallografia seriale, una tecnica a raggi X emergente progettata per approfondire la struttura dei singoli microcristalli. La tecnica potrebbe contribuire ad aumentare la comprensione della struttura e della funzione a livello atomico e molecolare in quanto fornisce una descrizione completa dei processi ultraveloci risolti atomicamente nello spazio reale nonché del contesto dell’energia elettronica. Essa implica l’applicazione di una sorgente coerente di elettroni liberi di raggi X ad attosecondi basata sulla diffusione Compton inversa coerente (C-ICS) su un cristallo. Un grosso problema con questa tecnica è che esiste una linea delicata tra ottenere dati di buona qualità e non danneggiare eccessivamente i cristalli con le radiazioni. La cristallografia al femtosecondo seriale convenzionale utilizza il principio dell’«imaging prima della distruzione». I laser a elettroni liberi a emissione di raggi X forniscono impulsi a femtosecondi intensi che producono dati di diffrazione ad alta risoluzione prima che la molecola venga distrutta dalle radiazioni. «Gli impulsi ad attosecondi generati da fonti C-ICS offrono ulteriori vantaggi in quanto possono superare i danni agli stati elettronici della molecola che si verificano in tempi molto più brevi», spiega Petra Fromme, membro del team di progetto. «Le rivoluzionarie capacità sperimentali della diffrazione e della spettroscopia a raggi X ad attosecondi contribuiranno a realizzare uno dei più grandi sogni dei biochimici: la produzione di film molecolari dei cambiamenti strutturali e chimici che si verificano simultaneamente in reazioni biochimiche complesse», aggiunge Kaertner. L’elevato tasso di ripetizione degli impulsi a raggi X dovrebbe infine consentire agli scienziati di svelare i meccanismi di assorbimento della luce ultraveloce e il trasferimento di energia di eccitazione nella fotosintesi nelle pertinenti scale spaziali e temporali. Finora, i fasci ultracorti potevano essere prodotti soltanto mediante attrezzature costose e di grandi dimensioni. Cosa ha portato i ricercatori allo sviluppo di questa sorgente di raggi X ad attosecondi compatta?

La tecnologia terahertz miniaturizza gli acceleratori di particelle

Il team di AXSIS sta realizzando il primo prototipo di un acceleratore di particelle in miniatura che utilizza la radiazione terahertz. La lunghezza d’onda della radiazione terahertz è molto più corta delle onde radio attualmente utilizzate per accelerare le particelle. Ciò significa che i componenti dell’acceleratore possono anche essere costruiti su una scala più ridotta. Utilizzando un processo ottico non lineare, i ricercatori hanno prodotto onde elettromagnetiche terahertz da impulsi laser energetici. Per il loro prototipo, hanno sparato elettroni veloci da una pistola elettronica all’interno di un modulo acceleratore lineare microstrutturato. Gli elettroni sono stati quindi ulteriormente accelerati dalla radiazione terahertz immessa nel modulo. Il laser all’avanguardia utilizzato produceva impulsi terahertz con energie sulla scala dei millijoule, un record per questa tecnica. Poiché gli impulsi sono così corti, raggiungono picchi di luminosità paragonabili a quelli prodotti da strutture più grandi, anche se in ciascun impulso vi è molta meno energia. «Con questi impulsi molto brevi e luminosi speriamo di ottenere nuove informazioni sui processi chimici estremamente rapidi in base ai quali le piante e alcuni batteri producono i propri carboidrati», conclude Kaertner.

Parole chiave

ASSE, raggi X, attosecondo, terahertz, fotosintesi, effetto Compton inverso coerente (C-ICS), acceleratore di particelle, cristallografia al femtosecondo

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