SLAC X-Işını (LCLS) ve Bilimsel Kullanım Alanları
Stanford Doğrusal Hızlandırıcı Merkezi laboratuvarı’ndan araştırmacılar, maddeyi atomik ölçekte görüntüleyebilen X-ışını lazerini inşa etme görevini üstlendiler. Linac Coherent Light Source (LCLS), öncekilere göre milyar kat daha parlak X-ışınını femtosaniye (saniyenin milyarda biri) gibi kısa bir zamanda üretmek için tasarlanmıştır.
Başarılı olduğunda yaşamın yapı taşlarına ilişkin temel anlayışımızı derinleştirecek ve araştırmacıları, temiz enerjiden yeni nesil bilgisayarlara ve ilaç geliştirmeye kadar çeşitli alanlarda ilerlemeler yapmaya yönlendirecektir. SLAC için California Üniversitesi, Los Angeles ve dünyanın dört bir yanındaki birçok kurumla birlikte, Argonne, Lawrence Livermore, Los Alamos ve Brookhaven ulusal laboratuvarlarından araştırmacıları bir araya getiren bir ekip kuruldu.
1. İçten Dışa Doğru Soyulmayan (Unpeeling) Atomlar ve Moleküller
LCLS, Dünya'nın yüzeyine çarpan güneş ışığından yaklaşık 100 kat daha yoğun X ışını üretebilmektedir. Bu ışınlar, insan yapımı nanomakineler, proteinler ve diğer makromoleküller gibi biyolojik nesnelerin yüksek çözünürlükte görüntülenmesi için devrim niteliğinde bir yöntem sağlamaktadır. Ancak bu güçlü ışın çok fazla hasar verir bu yüzden bu yeni ışık kaynağından yararlanmak için tamamen yeni bir ölçüm türünün geliştirilmesi gerekiyor. Yok etmeden önce kır (diffract-before-destroy) denilen bu yöntem, LCLS'nin başarısının anahtarlarından biridir. Bu yöntem araştırmacıların parçalara ayrılmadan önce hassas örneklerden kesin bilgilerin toplanmasına izin verir.
Parlak lazer ışığının elektronları, içeriden dışarıya doğru atomlardan uzaklaştırarak “içi boş atomlar” oluşturabileceğini gösterdi. Maddenin ve ışığın bu temel etkileşimini anlamak, yeni madde halleri üretmek için gerekli olan ekstrem koşulları yeniden yaratmak ve araştırmacıların hayal etmeye çalıştığı örneklerde hasarı önlemek için gereklidir.
2. Hareket Halinde Kimyanın Moleküler Filmlerinin Kaydedilmesi
Halkalı moleküller, D vitamini oluşumuna yol açan ve birçok farmasötik bileşiğin merkezinde olan ve yeni malzeme türlerinin sentezindeki süreçlerde yer alan biyokimyanın temel kaynağıdır. LCLS ile araştırmacılar, ilk kez bu moleküllerin ultra hızlı hareketlerini izleyebildiler. LCLS'den gelen X-ışınlarının sadece birkaç femtosaniye uzunluğunda bir patlama ile gelmesi, molekülün reaksiyon boyunca nasıl
değiştiğini ortaya koyan bir stop-motion “moleküler film” üretmemizi sağlamaktadır.
Diğer yaklaşımlarla karşılaştırıldığında LCLS'nin aşırı parlaklığı ve kısa atım süresi, neredeyse tamamen arka plan gürültüsü olmayan ölçümler sağlayarak moleküler yapıların net olarak yorumlanmasına ve elektronların reaksiyonları yönlendirmedeki rolüne izin verdi. Atomların kimyasal reaksiyona girerken hareketlerini doğrudan görüntüleme yeteneği; moleküllerin yapısının nasıl işlev gördükleri ve nasıl tepki verdikleri ile ilişkilendirme kapasitemizdeki bir adım değişikliğini temsil eder. Bu sayede karmaşık moleküllerin sentezini anlamak ve kontrol etmek için yaklaşımlar geliştirmemizi sağlar.
3. Moleküllerin “Nefes Almasını” İzlemek
Araştırmacılar yeni güneş pilleri ve bellek depolama aygıtları ile ilgili kimyasal reaksiyon sınıfını incelemek için LCLS'yi, “moleküler nefes almayı” (atom hareketlerinin dalgalarını) gerçek zamanlı izlemek için kullandılar. Bu hareket dalgalanmaları, enerjinin ışık ve elektronlar arasında nasıl değiş tokuş edildiğini ortaya koydu. “Nefes aldığını” görmek için moleküle bir lazer ışığı yollandı meydana gelen değişiklikleri incelemek için LCLS'den hemen bir X-ışını darbesi izlendi. Lazer ışığı, bir molekülün merkezinde yer alan demir atomundaki bir elektronu uyardı ve bu molekül daha sonra molekülün bir dış kabuğuna aktarıldı. Elektron 100 femtosaniye sonra demir atomuna döndüğünde, demirin manyetizmasını tersine çevirdi. Bu, molekülün genişlemesine neden oldu ve tüm yapı boyunca nefes benzeri bir salınımı başlatmış oldu.
4. Kimyasal Bağların Oluşumunun Yakalanması
“Kataliz” adı verilen kimyasal reaksiyonların hızlanması, gübre üretimi gibi çok sayıda endüstriyel prosesi desteklemektedir. Ancak bunun ve diğer birçok alanın temelini oluşturan kimyasal bağ oluşumunun temel anlayışından yoksundur. LCLS’nin lazer atımları o kadar kısadır ki ortaya çıktıklarında reaksiyonların anlık görüntülerini yakalayabilirler. Kimyasal reaktiviteyi anlamak temel fotokimyasal süreçlerdeki ince değişiklikleri haritalamak güneş enerjisi dönüşümünün geliştirilmesi için de oldukça önemlidir. LCLS darbeleri ve karmaşık bir moleküldeki spesifik atomları problama yetenekleri, karşılaştırmalı bir fotokimyasal reaksiyonda uzun süredir devam eden bir belirsizliği gidermek için kullanıldı.
5. Fotosentezin Gizemlerini Çözmek
Dünya üzerinde yaşamı yaratma ve sürdürmede önemli rolü olmasına rağmen, fotosentez hala tam olarak anlaşılamamıştır. Fotosentezdeki temel gizemler;
fotosistem II'nin güneş ışığından nasıl enerji topladığı, onu nasıl suya parçaladığı ve soluduğumuz oksijeni üretmek için nasıl kullandığına dairdir. Bu sürecin nasıl işlediğinin daha iyi anlaşılması temiz yenilenebilir enerji kaynakları geliştirmemiz için bir plan sağlayabilir. LCLS'de araştırmacılar, sürecin aşamalarını örnek yok edilmeden önce yapısını ve kimyasını haritalayabilir, doğal sıcaklıklarda inceleyebilir ve görüntüleyebilir. X-ışınlarının ultra hızlı darbeleri iki veri kümesi üretmek için kullanılır.
İlki X-ışını kristalografi verileri, atomik çözünürlüğe sahip moleküler yapının bir haritasını oluşturur. Diğeri ise spektroskopi verileri, fotosistem II’deki oksijen üreten kompleksteki elektronların nasıl aktığının haritasını oluşturur. Araştırmacılar, oksijen atomlarının ve daha ağır metal atomlarının moleküldeki pozisyonunu izleyebildiler ve fotosistem II’nin gizemlerine eşi görülmemiş bir anlayış sağladılar.
6. Hareket Halindeki İlaç Hedeflerinin Haritalanması
Araştırmacılar yan etkisi az olan etkili ilaçların tasarımını hızlandırmak için, hücre içindeki protein hedefleri ile atomik çözünürlükle nasıl yerleştirildiğini haritalamaları gerekmekteydi. Bunu yapmanın en iyi yolu, ilaç bir proteine bağlandığı için proteini kristalize etmektir. Ancak bazen geleneksel X-ışını kristalografisini kullanarak yapısal çalışmalar için yeterince büyük kristalleri tespit etmek zordur. LCLS, araştırmacılara, ortam koşullarında çok daha küçük kristallerden veri elde etmenin bir yolunu sunarak çalışması zor olan ilaç hedeflerinin daha hızlı ve daha doğru görüntülenmesini sağlar.
LCLS, doğal ortamlarda; membran proteinlerinin, metaloenzimlerin ve küçük biyokristallerin yüksek çözünürlüklü, hasarsız 3D yapılarını sağlayarak yeni yapısal biyoloji çalışmalarına katkı sağlamıştır. Devam eden bir deneyde araştırmacılar, hücrelerimizdeki sinyalleri kontrol etmede önemli bir rol oynayan ve piyasada çok sayıdaki farmasötik ilaç tarafından hedeflenen G-protein bağlı reseptörlerin yapısını incelemektedir. Başka bir deneyde, bir hipertansiyon ilacının kan basıncını düzenlemeye yardımcı olan bir hedefe (anjiyotensin-II) nasıl bağlandığını ve insan vücudundaki duyu ve hormonu düzenleyen hücre sinyal yolu (rhodopsin-arrestin) için temel yapısal detaylar sağladığını ortaya koydu.
7. Biyolojik Makinelerin Mekaniğinin Aydınlatılması
On yıllardır kristalleşmiş moleküllerin 3D yapısının statik haritalarından biyolojik fonksiyonları çıkartılmıştır. Ancak işleyen biyolojik sistemler statik (durağan) değildir.
Daha derin bir anlayış kazanmak için, genellikle çevre değişikliği gibi dış uyaranların bir sonucu olarak yapıların zaman içinde nasıl değiştiğini incelemek oldukça önemlidir.
LCLS ile araştırmacılar, artık biyolojik yapıların zaman içinde geliştikçe atomik çözünürlüklü anlık görüntülerini yakalayabilmektedir. Ulusal Sağlık Enstitüleri tarafından yönetilen bir deneyde, genetik düzenlemenin merkezindeki haberci RNA'nın (mRNA) elementleri olan riboswitchlerin dinamiğini, harici bir molekülün gelmesiyle başlatılan bir reaksiyon sırasında haritaladı. Bu molekülün biçiminde büyük bir değişikliğe yol açtı ve molekülün yapısındaki sinyallerin iletilme biçimine nasıl bağlandığını gösterdi. Diğer çalışmalarda LCLS, ışığın retinaya çarptığı anın ilk moleküler filmini yapmak için kullanıldı. Bu; hayvanlarda, mikroplarda ve alglerde görme ve fotosentez de dahil olmak üzere bir dizi önemli ışığa dayalı işlemin merkezinde yer alan bir sensördür.
8. Oda Sıcaklığında Süperiletkenlik
%100 verimlilikle elektrik ileten malzemeler olan süperiletkenler, yalnızca aşırı soğuk sıcaklıklarda çalışmaktadır. Yüksek sıcaklıklı süperiletkenler bile sıvı azotla en az -73 derece Celsius'a kadar soğutulmalıdır. Bilim adamları yıllardır kayıpsız elektrik iletimine ve hızlı maglev trenlerine olanak verebilecek oda sıcaklığına yakın çalışan süper iletken malzemeler yaratmaya çalıştılar. Şaşırtıcı olan, elektronlar ve iyonlar arasındaki etkileşimlerin gücünü hesaplamanın veya ölçmenin çok zor olduğudur.
Tur kuvveti (Tour de force) deneyinde araştırmacılar, herhangi bir teorik modele dayanmak zorunda kalmadan doğrudan bu etkileşimi ölçmek için LCLS ve laboratuvar verilerini birleştirdi. Madde, karakteristik bir frekansta ışık darbesi ile vuruldu ve daha sonra X-ışını darbeleri atomik hassasiyetle ölçüldü. Sonuçlar, elektronlar ve iyonlar arasında konvansiyonel teorilerin tahmin edebileceğinden çok daha güçlü bir bağlantı olduğunu gösterdi. Bu deney, maddelerdeki elektronlar ve iyonlar arasındaki etkileşimin rolü hakkında önemli bilgiler verdi.
9. Manyetizma ve Elektronik Davranışın Kullanılması
Malzemelerin manyetizma ve elektronik davranışını daha hassas bir şekilde kontrol etme yeteneği araştırmacıların daha hızlı, daha küçük ve daha verimli yeni nesil akıllı telefonlar ve bilgisayarlar tasarlamalarını sağlayacaktır. Bu yaklaşım, elektrik alanlarının manyetik davranışı kontrol edebileceği veya tam tersi olan multiferroik olarak bilinen bir malzeme sınıfının çalışmasını içerir. LCLS'de araştırmacılar, multiferroik bir malzemenin manyetik özelliklerini değiştirmek için özel olarak ayarlanmış ışık darbeleri kullandılar. Daha sonra atom ölçeğinde manyetik yapının saniyenin trilyonda birinden daha az bir sürede doğrudan manipüle edilebileceğini göstermek için ultra hızlı X-ışını darbeleri kullandılar. Bu araştırmacılara, ışıkla veri yazma konusunda yeni bilgiler vermektedir bu sayede çok daha hızlı veri depolama için bir yol oluşturulabilir.
10. Ekstrem Ortamlardaki Maddelerin Araştırılması
Araştırmacılar yüksek güçlü lazerler kullanarak, güneşin çekirdeğinden neredeyse 10 milyon derece daha sıcak olan (36 milyon derece) madde yaratabilmektedir. Bu birçok astrofiziksel nesnede bulunan zorlu koşulları taklit eder.Araştırmacılar, maddenin bu aşırı koşullara nasıl tepki verdiğini femtosaniyede ölçmek için LCLS’nin X-ışını darbelerini kullandı. Son LCLS deneylerinde, hidrokarbonların atom ölçeği dinamiklerini Neptün yüzeyinin 10.000 kilometre altındaki koşullarla karşılaştırdılar.
Ultrafast X-ışını ölçümleri, polimer zincir moleküllerinin bağlarından karbon ve hidrojenin ayrılmasını ve daha sonra nanodiamondların oluşumunu ortaya çıkardı.
Bu sonuçlar, karbon-hidrojen ayrımını başlatmak için hem yüksek sıcaklıklara hem de yüksek basınçlara ihtiyaç olduğunu ve "elmas yağmuru" nun, önceki statik deneylerde belirtilenden yaklaşık 10 kat daha yüksek basınç gerektirdiğini göstermektedir.
