Vokiečių mokslininkai, dirbantys Berlyno Helmholco medžiagų ir energijos tyrimų centre bei Berlyno technikos universitete, aprašė naują metodą, kurį galima laikyti pirmuoju žingsniu kuriant iki šiol neregėtus „molekulinius filmukus“. Tyrėjams pavyko užfiksuoti du vaizdus, kuriuos skiria tikrų tikriausia akimirka, todėl greitu laiku molekulių ir nanodarinių gyvenimą galėsime stebėti realiuoju laiku.
Jeigu persišaldėte, imuninė sistema nedelsdama stos jus ginti – tai gerai biologijoje žinomas faktas, tačiau šį reiškinį labai sunku stebėti tiesiogiai. Procesai, vykstantys molekuliniu lygiu, yra ne tik mažų matmenų, bet ir nepaprastai spartūs, todėl užfiksuoti jų veikimą itin sudėtinga. Vokiečių mokslininkai, dirbantys Berlyno Helmholco medžiagų ir energijos tyrimų centre bei Berlyno technikos universitete, aprašė naują metodą, kurį galima laikyti pirmuoju žingsniu kuriant iki šiol neregėtus „molekulinius filmukus“. Tyrėjams pavyko užfiksuoti du vaizdus, kuriuos skiria tikrų tikriausia akimirka, todėl greitu laiku molekulių ir nanodarinių gyvenimą galėsime stebėti realiuoju laiku.
„Molekulinis filmukas“, vaizduojantis, kaip molekulė elgiasi svarbiausiomis cheminių reakcijų akimirkomis, padėtų geriau suprasti fundamentalių procesų prigimtį. Tokie procesai paprastai trunka vos kelias femtosekundes, t. y. milijoninę milijardinės sekundės dalies dalį (10-15 s).
Eksperimento principas
Nors naudojant ultratrumpus šviesos impulsus galima užfiksuoti pavienius femtosekundinius vaizdus, iki šiol niekam nebuvo pavykę gauti dviejų tokių vaizdų paeiliui. Vaizdus registruojantis detektorius su tokia užduotimi nesusitvarko, nes gaunami paveiksliukai persikloja arba „išplaukia“. Bandymas pakeisti arba atnaujinti detektorių per laiko tarpelį tarp dviejų pageidaujamų kadrų užtruktų per ilgai, net jeigu tai pavyktų padaryti šviesos greičiu.
Nepaisydami šių sunkumų, jungtinės tyrimų grupės nariai sugebėjo užfiksuoti ultrasparčią mikrometrinių (10-6 m) objektų vaizdų seką. Tam tyrėjai panaudojo Hamburge veikiančio FLASH rentgeno spinduliuotės lazerio impulsus. Svarbu ir tai, jog pavyko suprasti, kaip šį pasiekimą galima pritaikyti stebint nanometrinius (10-9 m) objektus. Kartu su kolegomis iš DESY tyrimų centro bei Miunsterio universiteto mokslininkai gautus rezultatus aprašė prestižiniame žurnale „Nature Photonics“.
Tyrėjai sugalvojo elegantišką sprendimą, leidžiantį iššifruoti informaciją, kurią savyje saugo du paeiliui sklindantys rentgeno spinduliuotės impulsai. Tam vienu metu abu vaizdus reikia užšifruoti vienoje rentgeno hologramoje. Tuomet galutinė vaizdų seka išgaunama keliais žingsniais. Visų pirma, mokslininkai lazerio spinduliuotės pluoštą išskaido į du atskirus pluoštelius. Naudodami daugialypius veidrodžius jie priverčia vieną pluoštelį šiek tiek pasukti į šoną tam, kad galiausiai abu pluošteliai pasiektų tiriamąjį objektą ne vienu laiko momentu – skirtumas sudarytų vos 5 x 10-14 s. Dėl tam tikro specifinio geometrinio bandinio išdėstymo pluošteliai sukuria „dvigubą hologramą“. Tokia holograma užšifruoja objekto sandarą du kartus – kai šį paeiliui pasiekia abu impulsai. Taikydami matematinę rekonstrukcijos procedūrą, tyrėjai gali paprasčiausiai susieti vaizdus su atitinkamais rentgeno spinduliuotės pluošteliais ir teisingai sudėlioti vaizdų seką laiko atžvilgiu.
Taikydami šį metodą, mokslininkai užfiksavo du mikroninio Brandenburgo vartų modelio vaizdus, kuriuos laike skyrė vos 50 femtosekundžių (žr. 2 ir 3 paveiksliukus).
Kelių mikrometrų dydžio Brandenburgo vartų vaizdai
„Per tokį trumpą laiko tarpą netgi šviesos spindulys nenukeliauja didesnio atstumo už žmogaus plauko storį“, – teigia pirmasis autorius straipsnyje, doktorantas Kristianas Giunteris (Christian Günther). Trumpabangė rentgeno spinduliuotė, naudota tyrimuose, leidžia išskirti ypač mažas detales, nes kuo taikoma trumpesnio bangos ilgio spinduliuotė, tuo mažesnius objektus galima stebėti.
Brandenburgo vartų mikromodelio centrinė užfiksuotos hologramos dalis
„Ilgalaikis tikslas yra pasiekti tai, jog realiuoju laiku būtų galima stebėti molekulių ir nanodarinių judėjimą“, – atskleidžia projekto vadovas, profesorius Stefanas Eisebitas (Stefan Eisebitt). Labiausiai tyrėjus skatina galimybė pamatyti pačius smulkiausius objektus, nes užfiksuotas pavienis vaizdas gali būti vertas tūkstančio žodžių, tačiau filmukas, sudėtas iš keliolikos vaizdelių, atskleidžia visą informaciją apie objekto dinamiką.
