一项新的研究发现，当受到世界上最强的 X 射线激光束照射时，某些分子中的大原子会做出非常奇怪的事情：它们的行为有点像微小的“黑洞”，从周围的分子中吸入电子。但是，这些发现不仅仅是教给我们更多关于宇宙的知识，它们可能有助于解决与我们息息相关的问题。研究人员认为，这种策略可以让科学家更好地分析地球上的病毒、细菌和其他微小的复杂结构。
长期以来，X 射线不仅用于帮助医生透视人体，还用于帮助科学家探测分子和其他微观物体的结构。X 射线束越强大，研究人员获得的图像分辨率就越高。
在新的研究中，堪萨斯州立大学 (K.S.U.) 的科学家及其同事使用世界上最强大的 X 射线激光器，即 直线加速器相干光源 (LCLS)，它位于 SLAC 国家加速器实验室——这台机器可以产生脉冲，每平方厘米释放近 100 千万亿瓦的功率。研究合著者、LCLS 工作人员科学家塞巴斯蒂安·布泰特说，这大约相当于将照射到地球表面的所有阳光都聚焦到一个拇指指甲上，还要强 100 倍。这项研究结果于本周发表在《自然》杂志上。
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研究人员向穿过真空室的窄分子束侧面发射 X 射线激光脉冲——每个脉冲持续约 30 飞秒（千万亿分之一秒）。研究合著者、堪萨斯州立大学原子、分子和光学物理小组的物理学家阿特姆·鲁登科说，平均而言，“每个 X 射线脉冲‘看到’的只是一个分子——并将其炸成碎片。” “然后我们重复这个实验几十万次。” 研究人员说，这些是迄今为止用于检查此类分子的最强烈的 X 射线脉冲。
科学家分析了生物过程中发现的两种分子：碘甲烷 和 碘苯，它们都由碳、氢和碘组成。碘原子比碳和氢原子重得多，并且拥有更多的电子；一个碘原子有 53 个电子，而碳原子有 6 个，氢原子只有 1 个。科学家希望观察到，这种大型原子经常存在于重要的生物分子中——例如，人类利用碘来合成甲状腺激素——因此研究人员希望更多地了解这些原子在被扫描时的行为。鲁登科说，到目前为止，还没有人研究过如此强烈的 X 射线脉冲会对含有如此重原子的分子产生什么影响。之前的研究使用了较弱的光束，或者侧重于由更少原子组成的更简单的分子。
在新的研究中，特殊反射镜 将 X 射线聚焦到约 200 纳米或十亿分之一米宽的光点上，鲁登科说。碳和氢基本上对激光脉冲中的 X 射线频率是透明的，因此碘吸收了大部分冲击。科学家们记录了激光脉冲摧毁分子之前瞬间的数据。
根据之前的研究，科学家们曾预计激光脉冲会首先剥离碘原子最内层的电子。他们曾预计，原子外部的电子会随后涌入以填补这些空位——但随后又会在吸收随后的 X 射线后完全被踢出原子，使原子只剩下少数几个结合最紧密的电子。
但是电子的流动并没有就此停止。每个碘原子在失去大部分电子后都带有强烈的正电荷，它继续从邻近的碳原子和氢原子中夺取带负电荷的电子。“碘原子像黑洞吞噬周围的物质一样，吞噬它可以从邻居那里获得的所有电子，”鲁登科说。“然而，与黑洞不同的是，当下一个光子被吸收时，它会再次释放电子。”
与孤立的碘原子被照射时会失去 47 个电子不同，碘甲烷分子中的每个碘原子都失去了 54 个电子——包括它从邻居那里偷来的电子。在更大的碘苯分子中，每个碘原子失去的电子甚至更多——具体数量尚不确定。“我们不知道我们的链式反应会在哪里停止，”鲁登科说。
基于之前对更简单分子或更弱光束的实验，这种对分子的破坏远远超出预期。堪萨斯州立大学小组的物理学家、研究合著者丹尼尔·罗尔斯说，研究人员曾认为，来自分子其余部分相对遥远区域的电子，将没有时间在 30 飞秒的 X 射线脉冲跨度内被拉入碘原子。“如果我们只是围绕着拥有近乎无限的光子密度来思考，并意识到电荷转移可能是多么有效，我们本可以提前猜到这一点，”他补充道。
康涅狄格大学的物理学家 诺拉·贝拉 没有参与这项研究，她指出她和她的同事“最近在一个大型分子中观察到了这种效应，但我们尚未发表我们的工作。因此，我们证实这是一种普遍效应。”
这些发现可能有助于科学家更好地规划和解释使用 LCLS 和其他强大的 X 射线激光器（如 欧洲 XFEL）进行的实验。“我们的结果表明，在解释 X 射线成像数据时——特别是来自生物物体的数据——需要特别关注含有重原子的区域，例如蛋白质中的铁簇，”鲁登科说，并补充说，目前大多数模拟辐射损伤对分子影响的模型都将原子视为相对相似的。
未来的研究可以探索电子如何在更大的分子中移动，最终接近蛋白质等非常大的分子。鲁登科补充说，随着更快速发射激光器的发展，分析电荷如何在受到 X 射线照射的分子内流动的研究将向前迈进。LCLS 每秒发射 120 次，而欧洲 XFEL 在 9 月开始运行时，每秒将发射 27,000 次。“真正的突破，”鲁登科说，“预计将在几年后，大约在 2020 年，当 LCLS II——每秒高达一百万次发射——上线时到来。”