Ein hartes röntgenfreies Elektronenlasergerät kann Filme für Moleküle erstellen

Vor kurzem wurde als Priorität des „13. Fünfjahresplans für den Bau einer großen nationalen Wissenschafts- und Technologieinfrastruktur“ das härteste röntgenfreie Elektronenlasergerät (XFEL), die größte Investition in die Wissenschafts- und Technologieinfrastruktur in China, genehmigt . Diese Art von Gerät wird von Wissenschaftlern als "Hochgeschwindigkeitskamera" bezeichnet und als "Nature" -Magazin bezeichnet, da es Wissenschaftlern helfen kann, die mikroskopische Welt auf atomarer und sogar auf elektronischer Ebene zu sehen.

Da die Bewegung von Atomen und Elektronen zu schnell ist, haben Menschen nie gesehen, wie sie sich bewegen. XFEL kann die augenblicklichen Bilder der mikroskopischen Welt erfassen und langsam wiedergegeben werden, sodass Wissenschaftler die Geheimnisse verstehen können. Es ist zu einem wissenschaftlichen Forschungsinstrument geworden, das von verschiedenen Ländern entwickelt wurde.

Das härteste röntgenfreie Elektronenlasergerät (XFEL), die bislang größte Investition in die Wissenschafts- und Technologieinfrastruktur in China, wurde kürzlich genehmigt. Der Standort befindet sich im Kernbereich des Shanghai Zhangjiang Comprehensive National Science Center. Die 3,1 Kilometer lange Einheit wird einen unterirdischen Tunnel mit einer Tiefe von etwa 30 Metern entlang der Luoshan Road in der Pudong New Area bauen und sich bis zum Wissenschafts- und Technologiepark der Universität Shanghai erstrecken.

Bereits 2009 bauten die USA den weltweit ersten XFEL. In den letzten Jahren haben Japan, die Schweiz und Südkorea ihre Forschung und Entwicklung intensiviert. Im September letzten Jahres haben die 12 europäischen Länder gemeinsam 1,2 Milliarden Euro investiert und die erste Reihe von Experimenten in Europa XFEL in der Nähe von Hamburg durchgeführt.

Die Röntgenstrahlen, die von dem harten röntgenfreien Elektronenlaser bereitgestellt werden, können zehntausende Male heller sein als die Synchrotronstrahlungsquelle der dritten Generation, was Wissenschaftlern hilft, die Atomwelt und sogar die mikroskopische Welt auf der elektronischen Skala zu sehen. "Molekulare Fotos" auf die Ebene des "molekularen Films" zu bringen, ist für Wissenschaftler auf der ganzen Welt zu einem Hot Spot geworden. Das britische Magazin Nature nannte dieses Gerät eine "Hochgeschwindigkeitskamera" für Wissenschaftler.

Ultraschnelle Zeitauflösung als gewöhnliche Röntgenstrahlen

Wenn ein sich schnell bewegendes Elektron durch ein Magnetfeld abgelenkt wird, sendet es Synchrotronstrahlung in einer tangentialen Richtung aus, die 10.000-mal stärker ist als gewöhnliche Röntgenstrahlen. Röntgenfreie Elektronenlaser sind stärker als Synchrotronstrahlung, ein Laser, der energiereiche Elektronen in Vorwärtsrichtung emittiert, wenn er einem Magnetfeld ausgesetzt wird.

Der röntgenfreie Elektronenlaser wird je nach Energie und Wellenlänge in weiche und harte Röntgenstrahlen unterteilt. Letzteres hat eine höhere Helligkeit, zehntausende Male höher als synchrone Strahlung, und seine Wellenlänge kann mehrere Nanometer (10 Meter) erreichen.

Röntgenfreie Elektronenlaser weisen im Vergleich zu Synchrotronstrahlung eine höhere Helligkeit, eine kürzere Pulsstruktur und eine bessere Kohärenz auf. Synchrotronstrahlung kann die Struktur auf molekularer Ebene sehen, während harter röntgenfreier Elektronenlaser die Struktur auf atomarer Ebene sehen kann. Was ist der Unterschied? Wenn Synchrotronstrahlung die Oberfläche eines Gebäudes sehen kann, kann ein harter röntgenfreier Elektronenlaser sehen, was in jedem Fenster vor sich geht.

Offensichtlich kann XFEL Wissenschaftlern helfen, den Mikrokosmos zu sehen, den sie noch nie zuvor gesehen haben, und einige wissenschaftliche Spekulationen könnten das Rätsel lösen. Obwohl die vorhandene XFEL-Leistung noch stark verbessert werden kann, haben Wissenschaftler diese Superlichtquelle verwendet, um neue Entdeckungen zu machen. Beispielsweise analysierte das internationale Cross-Team unter der Leitung des Forschers Huaqiang Xu vom Shanghai Institute of Materia Medica der Chinesischen Akademie der Wissenschaften durch gemeinsame Forschung erfolgreich die phosphorylierten Rhodopsin- und Repressorkomplexe mit XFEL vom Stanford Linear Accelerator Center (SLAC) National Beschleunigerlabor. Die Kristallstruktur hat große wissenschaftliche Probleme auf dem Gebiet der Zellsignalisierung überwunden. Mit der Verbesserung und Verbesserung der Datenanalysemethoden verwendete er denselben Datensatz und hatte zwei wichtige Entdeckungen. Die Artikel wurden in der amerikanischen Zeitschrift Cell veröffentlicht. Dies zeigt auch von einer Seite, dass XFEL wertvolle Forschungsdaten in wissenschaftliche Entdeckungen einbringen wird.

In den letzten zehn Jahren haben Wissenschaftler auf der ganzen Welt diese Art von Laser verfolgt und seine Leistung ständig verbessert, in der Hoffnung, das menschliche Verständnis der Natur tiefer zu fördern. Erst im vergangenen September startete der XFEL, der von 12 europäischen Ländern gemeinsam investiert wurde, seine ersten Experimente in der Nähe von Hamburg mit einer Energie von 17,5 GeV (109 eV) und 27.000 Impulsen pro Sekunde. Die 2009 in den USA gebaute XFEL-Energie erreichte 14,5 GeV und beginnt nun mit dem Bau einer aktualisierten Version. Obwohl der Energieindex 4GeV beträgt, kann er 1 Million Impulse pro Sekunde aussenden, was dem 10.000-fachen des aktuellen Geräts entspricht. Chinas neu eingeführte XFEL-Energie ist 8GeV, mit der Photonen von sehr hoher Qualität erzeugt werden können. Es wird auch eine ultrahohe räumliche Auflösung im Nanomaßstab und eine ultraschnelle Zeitauflösung von Femto-Sekunden (10 Sekunden) haben.

Was können Wissenschaftler mit harten röntgenfreien Elektronenlasern tun? Im frühen XFEL konnten Wissenschaftler etwa 100 Röntgenstrahlen pro Sekunde sammeln, und an der neu eingeführten europäischen XFEL-Station konnten Wissenschaftler mehr als 3.000 hochwertige Röntgenstrahlen pro Sekunde sammeln. Wenn also die Anzahl der Impulse bis zu einer Million beträgt, wie viele mikroskopische Bilder des Mikrokosmos werden dem Wissenschaftler gebracht?

Es ist bekannt, dass ein Bild mit 24 Bildern pro Sekunde einen visuell kontinuierlichen Film bilden kann, dh den grundlegendsten Film. Wenn das Bild pro Sekunde 1000 Bilder überschreitet, erreicht es das Niveau einer Hochgeschwindigkeitskamera. Millionen von Impulsen pro Sekunde bedeuten, dass es wahrscheinlich bis zu 100.000 Röntgenstrahlen pro Sekunde gibt, was wirklich eine Superhochgeschwindigkeitskamera ist.

Im Allgemeinen ist die Bildqualität von Hochgeschwindigkeitskameras nicht sehr hoch, aber die aktuelle Auflösung der XFEL-Hochgeschwindigkeitskamera hat das Niveau von 100 Nanometern erreicht und wird in Zukunft auf das Nanoniveau sprinten.

Warum brauchen Wissenschaftler solche Hochgeschwindigkeits-HD-Kameras? Das liegt daran, dass die Bewegung von Atomen und Elektronen zu schnell ist. Menschen haben nie gesehen, wie sie sich bewegen. Sie können nur eine Elektronenwolke sehen - den Flugbahnnebel, der durch die schnelle Bewegung der Elektronen entsteht. Es ist wie Kampfkunst. In dem Roman gibt es eine bunte Handfläche, ein kybernetisches Netz oder eine schattenlose Gottfaust. Von XFEL wird erwartet, dass es diesen Prozess erfasst und die Wissenschaftler langsam wiedergeben lässt, um die Geheimnisse des Prozesses zu klären und die dynamischen Veränderungen von Elektronen und Atomstrukturen, wie z. B. wie Elektronen von einem Molekül zum anderen laufen, klar zu erkennen. Es ist gleichbedeutend damit, die Mikrowelt vor Menschen zu präsentieren, und dies ist derzeit noch nicht möglich.

Die neue Entdeckung wird wahrscheinlich viele der früheren wissenschaftlichen Erkenntnisse untergraben, da wir jetzt nur vage Bilder sehen können und wir nur das Durchschnittsbild verwenden können, um die reale mikroskopische Partikelwelt zu erraten. Zum Beispiel, wie Supraleitung auftritt, wie "Life Machine" -Proteinmoleküle funktionieren, wie sich chemische Bindungen bei chemischen Reaktionen bilden und so weiter. Wissenschaftler haben diese Lichtquelle verwendet, um Elektronen aus dem Iodatom im Methyliodidmolekül (CH3I) fast vollständig auszuschalten, so dass das Iodatom Methylelektronen wie das elektromagnetische eines Schwarzen Lochs anzieht und seine Reaktionszeit bei der Femto-Sekunde liegt Niveau. Die Ergebnisse wurden im Juni letzten Jahres in der britischen Zeitschrift Nature veröffentlicht.

Da der freie Elektronenlaser Licht in Richtung des Elektronenvorschubs emittiert, kann er keinen Lichtstrahl wie Synchrotronstrahlung um einen großen Ring ziehen und baut Dutzende experimenteller Linienstationen auf, sondern lässt nur Licht zu. Leicht abgelenkt, aufgeteilt in eine begrenzte Anzahl von Bündeln, verbunden mit der Versuchsstation (die Anzahl beträgt im Allgemeinen nicht mehr als zehn). Dies macht es auch besonders wertvoll.

Allgemeines XFEL umfasst Linearbeschleunigertunnel, Undulatortunnel, Beamline-Tunnel und Benutzergeräte. Um Elektronen mit höherer Energie zu erhalten, ist eine längere Elektronenbeschleunigungsstrecke erforderlich, sodass die Vorrichtung immer länger wird. Um den Abstand der Elektronenbeschleunigung zu verkürzen, wird ein supraleitender Beschleuniger zum weltweiten Mainstream der XFEL-Konstruktion.

XFEL, das in Shanghai gebaut werden soll, verwendet auch supraleitende Beschleuniger, um eines der effizientesten und fortschrittlichsten kostenlosen elektronischen Laserbenutzergeräte der Welt zu werden.

Nach der Installation wird das Gerät modernste Forschungsmethoden wie hochauflösende Bildgebung, ultraschnelle Prozessexploration und erweiterte Strukturanalyse für Physik, Chemie, Biowissenschaften, Materialwissenschaften und Energiewissenschaften bereitstellen. Das Zhangjiang-Gebiet wird auch zu einem internationalen Hochland der Photonikforschung im selben Gebiet mit einer Ansammlung von Synchrotronstrahlungsquellen, weichen röntgenfreien Elektronenlasern, harten röntgenfreien Elektronenlasern und ultrastarken ultrakurzen Lasern.

Das Projekt wird auch versuchen, die Mauern von Universitäten und Forschungsinstituten zu durchbrechen, sich mit einer großen Anzahl von High-Tech-Unternehmen zusammenzutun und in der Region Zhangjiang „Stärken zu sammeln, um große Dinge zu tun“. Der Reporter erfuhr, dass viele XFEL-Technologien, die die Grenzen herausfordern müssen, einen erheblichen Einfluss auf die Verbesserung der chinesischen High-End-Fertigungsindustrie haben werden.

Verwendung eines harten röntgenfreien Elektronenlasers

XFELs erstes Experiment

Freie Elektronenlaser beginnen mit der Entdeckung von Atomen. Die Studie wurde in der Ausgabe der britischen Zeitschrift Nature vom 1. Juli 2010 veröffentlicht.

Untersuchen Sie schwer kristallisierende Proteine

Das internationale Cross-Team unter der Leitung von Huaqiang Xu, einem Forscher am Shanghai Institute of Materia Medica der Chinesischen Akademie der Wissenschaften, hat das Problem der Zellsignalisierung mithilfe der Kristallstrukturdaten von phosphoryliertem Rhodopsin und Repressorkomplexen gelöst, die vom stärksten X der Welt analysiert wurden -ray Laser großes wissenschaftliches Problem. Der Durchbruch wurde am 28. Juli 2017 im American Journal of Cell als Titelstory veröffentlicht.

Siehe die Atomstruktur

Der röntgenfreie Elektronenlaser mit extrem hoher Intensität schlägt 54 (62) Elektronen aus dem Iodatom (rechts) des Methyliodidmoleküls CH3I heraus und zieht so die Methylelektronen (links) wie das elektromagnetische Schwarze Loch und seine Reaktion an Die Zeit liegt innerhalb der Femto-Sekunde. Die Studie wurde am 1. Juni 2017 in der britischen Zeitschrift Nature veröffentlicht.

Zeigen Sie den Mechanismus der chemischen Reaktion auf

Erfassen Sie den Moment der Bildung chemischer Bindungen. Die Forschungsergebnisse wurden in der Ausgabe der amerikanischen Zeitschrift Science vom 12. Februar 2015 veröffentlicht.

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