Российские ученые нашли эффективный способ подавления вируса иммунодефицита человека

Физики разорвали фуллерен рентгеновским лазером
Тимур Кешелава, 24 сентября 2019

Физики впервые детально изучили в динамике разрушение фуллерена C60 под действием сверхкоротких импульсов рентгеновского излучения. Оказалось, что возмущение приводит к образованию значительной ионизации молекулы, но ее разрыв происходит спустя заметное количество времени, а среди осколков наблюдается множество нейтральных атомов углерода. Результаты важны для интерпретации большинства методов определения структур молекул при помощи рентгеновских лучей, пишут авторы в журнале Nature Physics.

Во многих областях науки, например в биохимии, требуется знание структуры сложных молекул, как правило органических, из которой можно определить точную функцию вещества. Для наиболее разработанного метода изучения, рентгеноструктурного анализа, необходимо синтезировать твердый кристалл вещества, осветить его рентгеновским излучением и проанализировать получившуюся дифракционную картину. Кристаллизация многих веществ, однако, остается трудной задачей, поэтому ученые пытаются разработать новые подходы.

В работе физиков из США, Европы и Японии под руководством Норы Берра (Nora Berrah) из Университета штата Коннектикут были детально изучены возможности метода определения структур молекул на основе их разрушения лазерными импульсами. В качестве мишени ученые выбрали фуллерен C60 — одну из простейших молекул с замкнутой трехмерной структурой. Связи между атомами в нем формируются в правильные пяти- и шестиугольники — примерно как на классическом футбольном мяче Adidas Telstar. C60, с одной стороны, достаточно прост (симметричен и состоит из одного типа атомов), а с другой, сильно напоминает органические соединения, у которых связи между атомами углерода образуют основу структуры.

Ученые комбинировали эксперименты с численным моделированием взаимодействия. Авторам удалось наблюдать процесс распада молекулы с временным разрешением порядка 10 фемтосекунд. Процесс запускали импульсом рентгеновского лазера длительностью около 20 фемтосекунд, полученным на установке LCLS (Linac Coherent Light Source) в Национальной ускорительной лаборатории SLAC в США.

Оказалось, что импульс выбивает электрон примерно у каждого пятого атома, однако это не приводит к мгновенному взрыву фуллерена: разрушался он медленнее, чем ожидали исследователи. Распад начинался спустя несколько десятков фемтосекунд, а весь процесс занимал порядка 600 фемтосекунд, что менее триллионной доли секунды, но значительно больше длительности импульса и может быть уверенно измерено с использованием современного оборудования.

«Происходящее нельзя назвать настоящим взрывом. Вместо этого фуллерен распадается относительно медленно, — говорит один из руководителей коллетива Роберт Сантра (Robin Santra) из немецкого института DESY. — Атомы углерода постепенно испаряются, причем нейтральных атомов получается гораздо больше, чем заряженных, что весьма удивительно. Обычно из молекулы вылетает около 25 нейтральных и всего 15 заряженных атомов, а остальные формируют группы по несколько штук».

Результаты работы пригодятся при анализе других связанных с рентгеновским излучением методов исследования молекул. В частности, кристаллы белков часто испаряются под действием вспышки энергетических электромагнитных волн, а детальное понимание динамики этого процесса поможет обосновать выводы рентгеноструктурного анализа.

Ранее ученые смогли разглядеть микрокристаллы со всех сторон при помощи электронного томографа, определили структуру биомолекул при помощи дифракции на некачественных кристаллах и вырастили рекордно большой лист «белого графена».

Тимур Кешелава