一項新的研究發現，當受到世界上最強的 X 射線雷射束照射時，某些分子中的大原子會做出非常奇怪的事情：它們的行為有點像微小的“黑洞”，從周圍的分子中吸入電子。但是，這些發現不僅僅是教給我們更多關於宇宙的知識，它們可能有助於解決與我們息息相關的問題。研究人員認為，這種策略可以讓科學家更好地分析地球上的病毒、細菌和其他微小的複雜結構。
長期以來，X 射線不僅用於幫助醫生透視人體，還用於幫助科學家探測分子和其他微觀物體的結構。X 射線束越強大，研究人員獲得的影像解析度就越高。
在新的研究中，堪薩斯州立大學 (K.S.U.) 的科學家及其同事使用世界上最強大的 X 射線雷射器，即 直線加速器相干光源 (LCLS)，它位於 SLAC 國家加速器實驗室——這臺機器可以產生脈衝，每平方釐米釋放近 100 千萬億瓦的功率。研究合著者、LCLS 工作人員科學家塞巴斯蒂安·布泰特說，這大約相當於將照射到地球表面的所有陽光都聚焦到一個拇指指甲上，還要強 100 倍。這項研究結果於本週發表在《自然》雜誌上。
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研究人員向穿過真空室的窄分子束側面發射 X 射線雷射脈衝——每個脈衝持續約 30 飛秒（千萬億分之一秒）。研究合著者、堪薩斯州立大學原子、分子和光學物理小組的物理學家阿特姆·魯登科說，平均而言，“每個 X 射線脈衝‘看到’的只是一個分子——並將其炸成碎片。” “然後我們重複這個實驗幾十萬次。” 研究人員說，這些是迄今為止用於檢查此類分子的最強烈的 X 射線脈衝。
科學家分析了生物過程中發現的兩種分子：碘甲烷 和 碘苯，它們都由碳、氫和碘組成。碘原子比碳和氫原子重得多，並且擁有更多的電子；一個碘原子有 53 個電子，而碳原子有 6 個，氫原子只有 1 個。科學家希望觀察到，這種大型原子經常存在於重要的生物分子中——例如，人類利用碘來合成甲狀腺激素——因此研究人員希望更多地瞭解這些原子在被掃描時的行為。魯登科說，到目前為止，還沒有人研究過如此強烈的 X 射線脈衝會對含有如此重原子的分子產生什麼影響。之前的研究使用了較弱的光束，或者側重於由更少原子組成的更簡單的分子。
在新的研究中，特殊反射鏡 將 X 射線聚焦到約 200 奈米或十億分之一米寬的光點上，魯登科說。碳和氫基本上對雷射脈衝中的 X 射線頻率是透明的，因此碘吸收了大部分衝擊。科學家們記錄了雷射脈衝摧毀分子之前瞬間的資料。
根據之前的研究，科學家們曾預計雷射脈衝會首先剝離碘原子最內層的電子。他們曾預計，原子外部的電子會隨後湧入以填補這些空位——但隨後又會在吸收隨後的 X 射線後完全被踢出原子，使原子只剩下少數幾個結合最緊密的電子。
但是電子的流動並沒有就此停止。每個碘原子在失去大部分電子後都帶有強烈的正電荷，它繼續從鄰近的碳原子和氫原子中奪取帶負電荷的電子。“碘原子像黑洞吞噬周圍的物質一樣，吞噬它可以從鄰居那裡獲得的所有電子，”魯登科說。“然而，與黑洞不同的是，當下一個光子被吸收時，它會再次釋放電子。”
與孤立的碘原子被照射時會失去 47 個電子不同，碘甲烷分子中的每個碘原子都失去了 54 個電子——包括它從鄰居那裡偷來的電子。在更大的碘苯分子中，每個碘原子失去的電子甚至更多——具體數量尚不確定。“我們不知道我們的鏈式反應會在哪裡停止，”魯登科說。
基於之前對更簡單分子或更弱光束的實驗，這種對分子的破壞遠遠超出預期。堪薩斯州立大學小組的物理學家、研究合著者丹尼爾·羅爾斯說，研究人員曾認為，來自分子其餘部分相對遙遠區域的電子，將沒有時間在 30 飛秒的 X 射線脈衝跨度內被拉入碘原子。“如果我們只是圍繞著擁有近乎無限的光子密度來思考，並意識到電荷轉移可能是多麼有效，我們本可以提前猜到這一點，”他補充道。
康涅狄格大學的物理學家 諾拉·貝拉 沒有參與這項研究，她指出她和她的同事“最近在一個大型分子中觀察到了這種效應，但我們尚未發表我們的工作。因此，我們證實這是一種普遍效應。”
這些發現可能有助於科學家更好地規劃和解釋使用 LCLS 和其他強大的 X 射線雷射器（如 歐洲 XFEL）進行的實驗。“我們的結果表明，在解釋 X 射線成像資料時——特別是來自生物物體的資料——需要特別關注含有重原子的區域，例如蛋白質中的鐵簇，”魯登科說，並補充說，目前大多數模擬輻射損傷對分子影響的模型都將原子視為相對相似的。
未來的研究可以探索電子如何在更大的分子中移動，最終接近蛋白質等非常大的分子。魯登科補充說，隨著更快速發射雷射器的發展，分析電荷如何在受到 X 射線照射的分子內流動的研究將向前邁進。LCLS 每秒發射 120 次，而歐洲 XFEL 在 9 月開始執行時，每秒將發射 27,000 次。“真正的突破，”魯登科說，“預計將在幾年後，大約在 2020 年，當 LCLS II——每秒高達一百萬次發射——上線時到來。”