Рентгеновский микроскоп взорвал лазером объекты наблюдения

Новый способ получения детальных изображений вирусов, бактерий и даже крупных органических молекул открыли учёные из США, Германии и Швеции. Они научились фотографировать тела нанометрового масштаба при помощи мощного ультракороткого импульса рентгеновского лазера. И не беда, что через несколько фемтосекунд объект съёмки просто исчезает, разлетевшись во все стороны облачком плазмы.

Об этом впечатляющем эксперименте поведала в последнем выпуске Nature Physics международная группа учёных во главе с Генри Чепменом (Henry Chapman) из Ливерморской национальной лаборатории (LLNL) и Яносом Хайду (Janos Hajdu) из университета Уппсалы (Uppsala University).

 

В эксперименте был задействован сравнительно новый (построенный в 2004 году) лазер на свободных электронах FLASH германской электронно-синхротронной лаборатории (DESY) в Гамбурге.

 

Проведённую недавно фотосъёмку можно назвать фотографией с самой короткой выдержкой: импульс рентгеновского лазера (с длиной волны 32 нанометра) длился всего 25 фемтосекунд. Луч проходил через объект съёмки, вкраплённый в мембрану толщиной всего 3 микрометра.

 

Энергия лазерного пульса нагревала образец приблизительно до 60 тысяч градусов Кельвина, так что он тут же испарялся.

 

Однако до того, как объект разлетался облачком плазмы, учёные ухитрялись зафиксировать дифракционную картину, по которой можно было точно восстановить "портрет" образца и его структуру.

 

Полученные в результате такой обработки чёткие изображения микроскопических объектов (их разрешение составило 50 нанометров) показали, что съёмка происходила действительно до того, как рентгеновский лазер успевал нанести повреждение фотографируемому объекту.

 

Предыдущие теоретические исследования предсказали, что можно получать образец дифракции от непрозрачных объектов. "Но оставались два важных вопроса, — говорит Хайду. — Получится ли изображение, поддающееся толкованию, от единственного и очень короткого импульса; и действительно ли дифракция передаст информацию о структуре объекта, прежде чем он будет разрушен? В нашем эксперименте мы впервые проверили всё это".

 

И, что самое интересное, возможности нового метода съёмки далеко не исчерпаны.

 

Чтобы получить изображения больших молекул с атомарным разрешением, такие эксперименты надо будет провести, используя лучи с ещё более короткими длинами волны, то есть применив не мягкий рентген, а жёсткий.

 

Это лучи вроде тех, которые будут генерироваться с 2009 года на строящейся сейчас установке "Линейный источник когерентного света" (Linac Coherent Light Source — LCLS) в Стэнфорде или на европейском рентгеновском лазере XFEL, возводимом здесь же, в Гамбурге (он должен заработать в 2013-м).

 

Так как новый метод, продемонстрированный в данном эксперименте, не требует никакого оптического формирования изображения (фактически у физиков получился безлинзовый микроскоп), он может быть расширен на эти лазеры с жёстким рентгеном, для которого никаких линз пока, вроде, не существует.

 

Развитие же и внедрение в практику исследований такой экзотической фотографии создаст уникальные возможности для изучения структуры и динамики частиц нанометрового масштаба, включая большие биологические молекулы, без потребности в их предварительной кристаллизации, необходимой при обычном рентгеновском структурном анализе.

 

А это обещает революционизировать исследования структур веществ во многих областях науки (материаловедении, например), включая и биологию, и биохимию. Ведь здесь для новых исследований требуется очень высокое разрешение съёмки — как пространственное, так и временное.

Рентгеновский микроскоп взорвал лазером объекты наблюдения