‘Moleculair zwart gat’ gecreëerd met extreem krachtige röntgenlaser
Een onderzoeksgroep van SLAC (Stanford Universiteit) slaagde er in om een ‘moleculair zwart gat’ te creëren in een klein molecuul. Goed nieuws dus voor medicijnontwikkelaars en andere chemici, en hiermee ook ons.
Stel je voor: alle zonlicht dat de aarde bereikt, geconcentreerd in een gebiedje ter grootte van een peperkorrel. Dit is de intensiteit die gedurende 30 femtoseconden bereikt werd met de röntgenlaser die voor dit experiment ingezet werd, de Coherent X-ray Imaging instrument, CXI. De laserbundel van de CXI werd geconcentreerd in een gebiedje met een doorsnede van 300 nanometer.
De gebruikte harde röntgenstraling heeft een energie per foton van 8300 elektronvolt. Ter vergelijking: licht heeft minder dan 2 elektronvolt energie per foton. 8300 elektronvolt is de ionisatie-energie van de twee elektronen in de (binnenste) K-schil van een jodiumatoom, precies voldoende om deze selectief weg te slingeren. .
Deze bundel werd afgevuurd op xenonatomen en van jodiumatomen die onderdeel uitmaakten van een klein molecuul, methyljodide (CH3I). Zoals verwacht, werden de elektronen van de binnenste atoomschillen totaal gestript. Het atoom werd als het ware uitgehold. Daardoor ontstond er een enorme zuigkracht van de positief geladen atoomkern naar de rest van de elektronen in het atoom. Omdat dit binnen femtoseconden gebeurt, werden ook deze elektronen door de laserbundel weggestript tot het molecuul, dat bijna alleen nog uit positief geladen atoomkernen bestond, explodeerde.
Onverwacht was dat er minimaal 54 elektronen werden weggeslingerd uit het jodiumatoom. Het atoomnummer van jodium is 53. Dit betekent dat ook elektronen uit het nabijgelegen koolstofatoom, en mogelijk ook de waterstofatomen betrokken werden in de cascade. Dit had dus veel weg van een moleculair zwart gat, waarbij de positief geladen atoomkern van het jodiumatoom alle elektronen in het molecuul aantrok. Een opmerkelijk technisch staaltje, waarmee het research team het befaamde wetenschappelijke tijdschrift Nature wist te halen.
Sloopwerk is natuurlijk altijd een interessant doel op zich, maar de voornaamste wetenschappelijk waardevolle uitkomst is hier dat het measured pulse model het juiste blijkt te zijn, niet het concurrerende Gaussiaanse pulsmodel. De voorspellingen van het measured pulse-model bleken tot op 2% nauwkeurig. Goed nieuws voor bijvoorbeeld medicijnontwikkelaars, die nu veel nauwkeuriger het gedrag van moleculen kunnen voorspellen. Ook dient dit experiment als voorbereidend werk voor een belangrijke upgrade van de laser. Hiermee kunnen tot 1 miljoen pulsen per seconde worden afgevuurd (nu 250 per seconde).
Bronnen
1. The World’s Most Powerful X-ray Laser Beam Creates ‘Molecular Black Hole’, SLAC Communications, 2017
2. A. Rudenko et al., Femtosecond response of polyatomic molecules to ultra-intense hard X-rays, Nature (2017). nature.com/articles/doi:10.1038/nature22373
