Un team di scienziati, guidato da ricercatori australiani, ha scoperto come creare un nuovo tipo di struttura cristallina bombardando una molecola con raggi X ad alta intensità. Crediti: Australian Research Council Centre of Excellence for Advanced Molecular Imaging
Il più potente fascio di raggi X da laboratorio ha preso di mira un reticolo cristallino, ma il risultato è molto lontano da ciò che ci si aspettava, e arriva a ribaltare ciò che sapevamo in questo campo di ricerca. La scoperta, guidata dal professor Brian Abby dell’Università di La Trobe, in Australia, è stata pubblicata sulla rivista Science Advances.
Il team ha utilizzato un campione di cristalli chiamato buckminsterfullerene o buckyballs, molecole costituite esclusivamente da carbonio e di forma sferica, esponendolo a un fascio di luce intensa emessa dal laser a raggi X più potente al mondo: l’X-ray Free Electron Laser (XFEL), presso la Stanford University negli Stati Uniti. La forma di queste molecole e il pattern costruito dagli atomi di carbonio ricorda la struttura di un pallone da calcio.
La luce generata da XFEL è circa un miliardo di volte più intensa rispetto a quella generata da qualsiasi altro apparato sperimentale a raggi X. Tutte le osservazioni precedenti, effettuate con fonti di luce X meno intense, avevano rilevato che i cristalli venivano fusi o comunque distrutti dal fascio luminoso, e si aspettavano che anche XFEL avrebbe fatto lo stesso.
Schema dell’apparato sperimentale utilizzato per raccogliere i dati. Crediti: Abby et al. 2016
I risultati raccolti dagli esperimenti, però, sono ben lontani dal rispondere alle aspettative. Quando l’intensità di XFEL ha raggiunto e superato un valore critico, gli elettroni si sono spontaneamente riordinati modificando la configurazione del cristallo e cambiandone completamente la forma.
Ogni molecola ha cambiato la propria forma, passando da pallone da calcio a pallone da rugby. Questo effetto ha prodotto immagini completamente diverse da ciò che si aspettavano i ricercatori, e ha alterato le proprietà ottiche e fisiche del campione. «È stato come rompere una noce con un martello e scoprire che non si frantumava in mille pezzi, ma assumeva una forma diversa, quella di una mandorla», spiega Abby.
«Siamo rimasti molto colpiti, perché è la prima volta che un fascio di luce a raggi X crea una nuova forma cristallina», dice Harry Quiney, professore presso l’Università di Melbourne e coautore dell’articolo. «Anche se la nuova configurazione resta stabile per una frazione di secondo, abbiamo osservato che le caratteristiche fisiche, chimiche e ottiche del campione cambiano radicalmente rispetto alla sua forma originale».
«Questo cambiamento significa che, quando utilizziamo XFEL per effettuare esperimenti di cristallografia, dobbiamo cambiare il modo in cui interpretiamo i dati. I risultati ci dicono che tutto ciò che sapevamo negli ultimi cento anni deve prendere una nuova direzione, e questo è molto interessante», aggiunge Abby. «Attualmente la cristallografia è uno strumento utilizzato da biologi e immunologi per sondare il funzionamento di proteine e altre molecole. Il fatto di essere in grado di vedere queste strutture sotto nuovi punti di vista ci aiuterà a comprendere meglio le interazioni che avvengono all’interno del corpo umano, e può aprire nuove strade per lo sviluppo di farmaci e terapie».
«L’esperimento mostra in sostanza come ad alti flussi di raggi X le proprietà dei materiali illuminati cambino lo stato di aggregazione», spiega a Media INAF Luigi Piro, ricercatore presso l’INAF – Istituto di Astrofisica e Planetologia di Roma, al quale abbiamo chiesto un commento. «Questo fenomeno, per essere osservato in condizioni “terrestri”, richiede sorgenti molto intense, come laser a elettroni liberi in raggi X. Fenomeni simili sono comuni agli astrofisici, nel grande laboratorio che è l’Universo osservato nei raggi X: questo mondo pullula di fenomeni estremi, in cui esplosioni stellari producono fiotti di raggi X che cambiano lo stato della materia che li circonda, per esempio riscaldandola a temperature estreme».
«Athena, il grande osservatorio per raggi X dell’ESA, svelerà molti di questi nuovi fenomeni nell’Universo lontano. Ma intanto è necessario sin da ora gettare le basi per questi studi», continua Piro, che è anche responsabile scientifico del progetto europeo AHEAD. «AHEAD è un progetto H2020 finanziato dalla Commissione europea, che comprende 26 istituzioni europee, tra cui una società del settore spaziale e mette a disposizione della comunità una serie di facilities in raggi X ed esperimenti che serviranno ad avanzare la conoscenza in questi settori, ed usare l’Universo come il più grande laboratorio in cui la materia può essere testata in condizioni estreme. AHEAD sostiene anche studi per esplorare nuove applicazioni per le sue tecnologie all’avanguardia, come la diagnostica dei materiali e dei campioni biologici in un regime a basso dosaggio. Per questo offre a scienziati e ingegneri aerospaziali di istituti di ricerca e di imprese piccole e medie, la possibilità di accesso gratuito alle migliori strumentazioni sperimentali di analisi e calibrazione al fine di promuovere il loro avanzamento tecnologico».
Per saperne di più:
- Leggi su Science Advances l’articolo “X-ray laser–induced electron dynamics observed by femtosecond diffraction from nanocrystals of Buckminsterfullerene” di Brian Abbey, Ruben A. Dilanian, Connie Darmanin, Rebecca A. Ryan, Corey T. Putkunz, Andrew V. Martin, David Wood, Victor Streltsov, Michael W. M. Jones, Naylyn Gaffney, Felix Hofmann, Garth J. Williams, Sébastien Boutet, Marc Messerschmidt, M. Marvin Seibert, Sophie Williams, Evan Curwood, Eugeniu Balaur, Andrew G. Peele, Keith A. Nugent e Harry M. Quiney