利用實驗和計算數(shù)據(jù)的結(jié)合，科學(xué)家發(fā)現(xiàn)了優(yōu)化來自高強(qiáng)度X射線束脈沖的途徑。長期以來，科學(xué)家們一直在追求以原子分辨率看到單個自由形式分子結(jié)構(gòu)的能力，這被許多人稱為成像的“圣杯”。

一種可能的方法是將極短、高強(qiáng)度X射線自由電子激光(XFEL)脈沖對準(zhǔn)樣品材料。但是這種超快成像技術(shù)也會摧毀目標(biāo)，所以時間是至關(guān)重要的。

美國能源部(DOE)阿貢國家實驗室(DOE)的研究人員，正在通過實驗和計算機(jī)模擬相結(jié)合的方式推進(jìn)這項研究工作，希望了解X射線自由電子激光脈沖如何與目標(biāo)相互作用?，F(xiàn)在由Argonne原子分子光學(xué)物理小組在化學(xué)科學(xué)和工程部領(lǐng)導(dǎo)的一個小組精確地指出了一個重要、經(jīng)常被忽視的參數(shù)，它可能會影響實驗結(jié)果：即時間。其研究瞬態(tài)共振在單個蔗糖納米簇超快成像中的作用，發(fā)表在《自然通訊》期刊上。

例如，在原子尺度上檢查三維結(jié)構(gòu)的能力，有助于我們更好地了解病毒，并更有效地將藥物輸送到人體。今天，這種分析需要把要研究的材料放在晶體形式上。生物粒子被固定在這種非天然的形式中，因此當(dāng)X射線擊中它們時，光束就會散射，產(chǎn)生一種可以用來理解分子結(jié)構(gòu)的衍射圖案。但是許多類型的生物系統(tǒng)不能很好地結(jié)晶，而且晶體可能太小而不能產(chǎn)生良好的衍射圖案。或者，結(jié)晶可能會改變結(jié)構(gòu)，阻止觀察處于自然狀態(tài)粒子的能力。

與飛秒級的時間賽跑

要在不使物質(zhì)結(jié)晶的情況下創(chuàng)建散射圖案，需要一束像X射線自由電子激光一樣的超強(qiáng)光束，在令人難以置信的快速爆發(fā)中閃現(xiàn)。合著者、阿貢物理學(xué)家Phay Ho說：對于這種類型的實驗，需要非常強(qiáng)烈的脈沖，這會很快摧毀樣本，所以使用這種方法時，需要使用非常短的脈沖，以便在樣品被銷毀之前收集所有散射信號。這場與時間的賽跑是以飛秒為單位（一飛秒等于十億分之一秒）。為了研究不同的參數(shù)如何影響X射線自由電子激光實驗的結(jié)果：

跨學(xué)科的研究小組，使用斯坦福大學(xué)SLAC國家加速器實驗室的直線加速器相干光源(LCLS)研究了蔗糖單個納米簇。阿貢杰出研究員、論文合著者琳達(dá)·楊說：在基于儲存環(huán)的光源上觀察到晶體，如阿貢的先進(jìn)光子源(APS)，而不是XFEL（X射線自由電子激光），通常大小在10微米左右，在這項研究中看到的結(jié)構(gòu)至少要小200倍（納米級）。研究人員隨后將實驗數(shù)據(jù)與在阿貢領(lǐng)導(dǎo)力計算設(shè)施(ALCF)的超級計算機(jī)Mira上運行的計算進(jìn)行了比較。

這涉及到一大批分子模擬，跟蹤了4200萬個粒子與X射線自由電子激光脈沖的相互作用。合著者之一、ALCF和Argonne計算科學(xué)部門的計算科學(xué)家克里斯托弗·奈特(Christopher Knight)說：當(dāng)你有一臺像Mira這樣的機(jī)器時，就可以運行大量的模擬，可以同時進(jìn)行所有的模擬，可以在進(jìn)行這項特殊研究所需的時間尺度上運行它們。研究發(fā)現(xiàn)，當(dāng)涉及到蔗糖上的X射線自由電子激光脈沖時，越短越好。

希望放大成像結(jié)果的科學(xué)家可能會使用200飛秒的脈沖長度，但事實證明還是太長了。如果使用這么長的脈沖，實際上大大降低了信號，為了進(jìn)行這種類型的成像，脈沖應(yīng)該只持續(xù)幾飛秒。重要的是不僅要看光子數(shù)量，還要看每單位時間的光子數(shù)量。計算機(jī)建模將幫助研究人員優(yōu)化未來的實驗，重點放在將產(chǎn)生最佳結(jié)果的參數(shù)上。要拿到光束時間來做這些實驗并不容易，這些數(shù)據(jù)將對找出下一步要嘗試的最佳脈沖條件非常有用。

博科園｜研究/來自：阿貢國家實驗室

參考期刊《自然通訊》

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