C его помощью можно снять кино о жизни молекул и атомов в реальном времени

 

Учёные получили самый мощный в мире рентгеновский лазер — установку LCLS-II на базе американской Национальной ускорительной лаборатории SLAC (в Стенфорде, см.). Длившаяся около десяти лет модернизация лазера LCLS тысячекратно умножила его мощность и возможности. Частота вспышек выросла до одного миллиона раз в секунду. Это означает, что учёные в реальном времени смогут снимать «фильмы» о поведении молекул и атомов в материалах, что позволит открывать секреты мироздания.

 

Установка LCLS, или первый в мире рентгеновский лазер на свободных электронах, начал работать в SLAC в 2009 году и обладал частотой до 120 рентгеновских импульсов в секунду. Установка представляла собой медный волновод, находящийся в обычных комнатных условиях. Короткие и относительно мощные рентгеновские импульсы, получаемые как вторичные после разгона электронов, бомбардируют исследуемый образец и дают картину его молекулярного и атомарного устройства. Чем выше энергия импульсов и их частота, тем точнее картина, вплоть до съёмки поведения молекул и атомов в реальном времени.  

   Новая установка получила криогенные ускорители электронов. Впрочем, старая   установка с медной трубой также сохранена и будет принимать участие в новых   экспериментах наряду с новой. Это позволит получать данные в расширенном   диапазоне энергий, что обеспечит более полный набор данных для опытов. Однако   разница между ними колоссальная: частота лазерных импульсов у новой установки в   8000 раз выше, чем у старой. Это обеспечит слежение за очень и очень быстрыми   процессами в материалах и химических реакциях. Это особенно важно для   квантовых исследований, которые обычно контр-интуитивны, или непредсказуемы.

 

   Учёные давно ждали этот инструмент и сейчас выстроились в очередь для   проведения на LCLS-II научных работ, которые стартуют в ближайшие недели.   Установка востребована в материаловедении, в квантовых науках, в биохимии, в   фармакологии, в геологии и в массе других областей, где детальное знание   происходящих химических процессов и строения веществ играет первостепенную роль. Научный мир на пороге новой эры в открытиях, и это не пустые слова.

 

   В России, кстати, для аналогичных исследований строится комплекс ЦКП «СКИФ»,  и ряд установок поменьше.

 

Опубликовано: 3Dnews - 19.09.2023

 

Справка публикатора: Центр коллективного пользования "Сибирский кольцевой источник фотонов"- источник синхротронного излучения (СИ) поколения "4+" и энергией 3 ГэВ создается в рамках национального проекта "Наука и университеты". Позволит изучать материю на атомарном уровне и получать новые фундаментальные знания в области биологии, химии, медицины и других областях науки. На момент запуска яркость излучения синхротрона СКИФ будет рекордной в мире. Завершение строительно-монтажных и пусконаладочных работ запланировано на декабрь 2024. 

Подборку публикаций о ходе работ по ЦКП "СКИФ" см. здесь. 

Самый мощный в мире рентгеновский лазер запущен при участии России

 

Физики, химики и биологи ждали этого дня 15 лет - 1 сентября в пригороде Гамбурга запущен рентгеновский лазер на свободных электронах XFEL (X-ray Free-Electron Laser). Это событие и научное, и политическое. Научное, потому что XFEL открывает возможность исследований в ранее недоступных масштабах - на уровне отдельных атомов. Политическое, потому что в сложный для взаимоотношений России и Евросоюза период Россия стала вторым по объему взноса участником проекта.

/Примечание публикатора: Кстати, российскую делегацию, по данным СМИ, на церемонии пуска в эксплуатацию международного проекта возглавлял помощник президента РФ Алексей Фурсенко, НИЦ "Курчатовский институт" представляли президент Михаил Ковальчук и директор Центра Виктор Ильгисонис/.

 

XFEL - самый большой рентгеновский лазер в мире. Он будет генерировать до 27 тыс. импульсов в секунду - в 200 раз больше, чем другие рентгеновские лазеры. Такие сверхкороткие - менее 100 фемтосекунд (фемтосекунда- одна квадриллионнная доля секунды) - импульсы излучения с длиной волны от 0,05 до 40 нанометров позволят различать отдельные атомы и даже их внутренние структуры и видеть сверхкраткие события, ранее недоступные физическим приборам.

Чтобы получить такую частоту мощных импульсов, электроны необходимо разогнать до скорости, близкой к скорости света. Для этого был построен линейный сверхпроводящий ускоритель длиной 1,7 км, где температура кабелей поддерживается на уровне минус 271 градус по Цельсию. После разгона частицы попадают в ондуляторы, последовательность магнитов с переменной полярностью. Под действием магнитных полей электроны двигаются по синусоидальным траекториям и излучают в жестком рентгеновском диапазоне с очень высокой интенсивностью. Мощные и крайне короткие импульсы позволят зафиксировать так называемое атомарное кино, необходимое для понимания химических реакций.

На площадке XFEL предполагается проводить три типа экспериментов: во-первых, в области структурной биологии, во-вторых, в сфере материаловедения и кинетики химических реакций, и в-третьих — исследовать поведение вещества в экстремальных условиях.

Высокая разрешающая способность лазера позволяет ожидать прорыва в изучении белковых структур и в области фармакологии. Спецпредставитель НИЦ «Курчатовский институт» в европейских исследовательских организациях Михаил Рычев объясняет: «Сейчас, чтобы получить 3D-изображение белка, его нужно кристаллизовать, но далеко не все белки кристаллизуются. Благодаря высокой мощности импульса мы сможем получить 3D-изображение даже от одиночной молекулы белка. Под действием лазерного импульса молекула разваливается, но это происходит примерно за 100 фемтосекунд, а у нас импульс  10 фемтосекунд, поэтому мы успеем увидеть образ в дифракционной картине до того, как белок разлетится».

Такие трехмерные изображения белка необходимы, в частности, для разработки эффективных фармпрепаратов, исследования структур вирусов. Чтобы разработать новое лекарство, нужно понимать, например, как выглядит вирус гриппа типа А. И увидеть его трехмерную картинку - это конкретная задача от «бигфармы» (Big Farma, профессиональное наименование 50 крупнейших фармацевтических компаний), которая уже ждет этих результатов.

XFEL также впервые позволит ученым увидеть ход химических реакций в реальном времени, снимать «кино», в котором можно будет увидеть, как молекулы перестраиваются, реагируют друг с другом - эти процессы протекают как раз за время порядка фемтосекунд. «Кинетика химических реакций интересна ученым, которые разрабатывают новые катализаторы, новые материалы, занимаются нанотехнологиями»,- говорит об этом направлении М.Рычев.

Третье направление - это изучение поведения вещества в экстремальных условиях: «При помощи лазера можно моделировать экстремальные условия, похожие на те, что существуют в недрах звезд или были во время Большого взрыва, а другие лазеры, которые смонтированы здесь же, на площадке XFEL, будут исследовать состояние вещества».

По словам М.Рычева, первые два направления - это прикладная наука, и именно в возможности проводить прикладные исследования заключается важнейшее отличие XFEL от других мегапроектов, например, Большого адронного коллайдера.

Первые эксперименты на XFEL начнутся уже в сентябре. Всего к началу 2017 года заявки подали более 60 научных коллективов. Уже отобраны 14 групп исследователей, которые с 10 сентября начнут работу на двух первых экспериментальных установках. Отбор прошли, во-первых, не слишком сложные проекты (поскольку эксперименты только начинаются) и, во-вторых, проекты схожей тематики, это в основном структурная биология и новые материалы.

 

Российская четверть

Запуск XFEL оказался и важным политическим событием - это случай, когда Россия стала полноправным участником крупного европейского научного проекта.

В ценах 2005 года установка стоила €1,22 млрд, 57% суммы внесла Германия, около 26% - Россия. Остальное поделено между еще десятью странами - участниками проекта (это Дания, Франция, Венгрия, Италия, Польша, Словакия, Испания, Швеция, Швейцария, кроме того, в процессе присоединения к проекту находится Великобритания).

Окончательный объем вклада России в проект станет понятен в этом году, когда будет перечислен последний платеж, но уже можно сказать, что он составит около €400 млн в текущих ценах (или около €306 млн в ценах 2005 года).

Россия участвовала в проекте не только деньгами, российские ученые и институты занимались разработкой проекта, созданием отдельных элементов лазера. «Например, Институт ядерных исследований в Троицке сделал инжектор для ускорителя, который по своим параметрам превзошел начальные плановые показатели»,— говорит М.Рычев.

В результате российские ученые стали полноправными участниками экспериментов на европейском лазере. Координатором российской научной программы является Курчатовский институт. 

 

Опубликовано: Наталия Ферапонтова, "Коммерсантъ Наука" №6 от 05.09.2017, см. здесь