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Chemistry

Medições de correlações eletrônicas de longo alcance durante experimentos de difração de femtossegundo realizados em nanocristais de Buckminsterfulereno

Published: August 22, 2017 doi: 10.3791/56296
Automatic Translation
1, 1, 1, 1, 2, 1, 3, 4, 5, 6, 7, 8, 9, 10, 11, 11, 2, 5, 2, 1, 2
1ARC Centre of Excellence in Advanced Molecular Imaging, School of Physics, University of Melbourne, 2Australian Research Council (ARC) Centre of Excellence in Advanced Molecular Imaging, Department of Chemistry and Physics, La Trobe Institute for Molecular Sciences, La Trobe University, 3Department of Physics, Imperial College London, 4Florey Institute of Neuroscience and Mental Health, 5Science and Engineering Faculty, Queensland University of Technology, 6Swinburne University of Technology, 7Department of Engineering Science, University of Oxford, 8Brookhaven National Laboratory, 9Linac Coherent Light Source, SLAC National Accelerator Laboratory, 10BioXFEL Science and Technology Center, 11Laboratory of Molecular Biophysics, Department of Cell and Molecular Biology, Uppsala University, 12Australian Synchrotron

Summary

Descrevemos um experimento projetado para sondar o dano eletrônico induzido em nanocristais de Buckminsterfulereno (C60) pela intensa, femtosecond pulsos de raios-x. O experimento encontrado que, surpreendentemente, ao invés de ser estocástico, raio-x induzida elétron dinâmica em C60 está altamente correlacionada, estendendo-se ao longo de centenas de células de unidade dentro do cristais1.

Abstract

Os detalhes precisos da interação de pulsos intensos de raio-x com a matéria são um tópico de intenso interesse para pesquisadores tentando interpretar os resultados de raio-x de femtosecond elétron livre do laser (XFEL) experimentos. Um número crescente de observações experimentais têm demonstrado que embora o movimento nuclear pode ser insignificante, dado um curto bastante duração do pulso incidente, movimento eletrônico não pode ser ignorado. Os modelos atuais e amplamente aceitos assumem que embora elétrons passam por dinâmica impulsionada pela interação com o pulso, seu movimento pode amplamente ser considerado 'aleatório'. Isto permitiria então a contribuição supostamente incoerente do movimento eletrônico deve ser tratado como um sinal de fundo contínua e, portanto, ignorado. O objetivo original do nosso experimento foi medir precisamente a alteração da intensidade dos picos de Bragg individuais, devido a raios-x induzida dano eletrônico em um sistema modelo, cristalina C60. Contrariando essa expectativa, observamos que as intensidades de raios-x mais altas, a dinâmica de elétrons em C60 na verdade foram altamente correlacionada, e suficientemente longas distâncias que as posições as reflexões de Bragg são significativamente alterados. Este paper descreve detalhadamente os métodos e protocolos utilizados para estas experiências, que foram realizadas tanto na fonte de luz coerente Linac (LCLS) e o síncrotron australiano (AS), bem como as abordagens cristalográficas utilizadas para analisar os dados.

Introduction

Uma das principais finalidades dos lasers de raio-x elétron livre (XFELs) está a desenvolver um alto throughput, abordagem de alta resolução de imagem molecular e dinâmica. Biologia estrutural varia de acordo com informações da escala atômica, tradicionalmente limitadas para baixar técnicas de cristalografia de raios x de resolução se apresentou nos síncrotrons de geração terceiros. Longos tempos de exposição que causam danos de radiação significativa em cristais, afectar grandemente a resolução alcançada usando técnicas tradicionais. A difração de instantâneo de imagem esquema2,3,4 empregados em XFELs, envolve a coleta de imagens de difração de raios-x do pulso curto bater ou amostras de alvo fixo (que são traduzidas em todo o foco do feixe) ou amostras injetado o caminho do feixe.

A interação de pulso-amostra XFEL, finalmente, destrói as amostras, devido o aparecimento de danos de radiação severa. As imagens de difração são coletadas antes do início da destruição devido as durações de pulso sub-100 fs. A capacidade de determinar as estruturas de alta resolução de nanocristais está rapidamente se tornando bem estabelecida. No entanto, processos dinâmicos que ocorrem em escalas de tempo femtosecond sob condições experimentais de imagem oferecem mais profundos insights sobre física atômica e podem ter um efeito macroscópico em nanocristais e seus difração padrões5,6 ,7.

Enquanto danos estruturais catastróficos é evitado em femtosecond escala de tempo durante o qual uma imagem de difração instantâneo é gravada, a densidade de potência de um pulso XFEL pode ser alta o suficiente para modificar as propriedades eletrônicas da amostra com que os raios-x interagir com7,8,9. Uma exploração da física da interação de pulsos de raio-x intensos coerentes com a matéria não é apenas de interesse científico intrínseco, mas será extremamente importante para a interpretação de qualquer experimento em que a luz de um XFEL pulso é usado para explorar estrutura.

No raio-x de imagens de experimentos realizados em moléculas simples, pequenos grupos ou nanocristais composta de algumas células de unidade, perturbativas análise indica que um deve observar tanto uma redução na aparente coerência do sinal disperso8, e o crescimento de um sinal de fundo sem estrutura como resultado de processos electrodynamical9. Este experimento procurou avaliar o grau em que a incoerência devido a processos electrodynamical, ocorre em nanocristalina em pó C60 devido à interação com pulsos XFEL.

Neste artigo, podemos fornecer detalhes sobre o procedimento experimental, em que uma estrutura eletrônica transitória altamente ordenada de nanocristais de60 C é observada devido à interação com um pulso XFEL1. O padrão de difração produzido nestas condições é significativamente diferente da observada quando a mesma amostra é iluminada pelo baixo consumo de energia, mas idêntica XFEL pulsos, ou quando um feixe de síncrotron na mesma energia do fóton é usado. Esta diferença é marcada pela presença de picos de Bragg que não são vistas nos dois perfis difração correspondente para as imagens de difração de baixa potência e síncrotron. Podemos demonstrar a nossa análise e abordagem modelo-encaixe, usado para confirmar a presença de uma distorção eletrônica dinâmica induzida pela interação do pulso-nanocrystal XFEL.

Protocol

1. C 60 a preparação da amostra em pó

  1. aplicar filme de poliamida, 10 µm de espessura, ao lado do porta-amostras fixas 1 mm espessura de alumínio (projeto mostrado na Figura 1a).
  2. Esmagar o C 60 usando um pilão e almofariz em pequenos lotes de aproximadamente 100 µ g. A quantidade de amostra adicionada para a argamassa não é crítica, mas certifique-se de que não deve exceder a altura da extremidade arredondada do pilão para que você don ' risco t compactar o pó em vez de esmagá-lo. Isto irá garantir que bem nanocristais são produzidos. Repita este processo várias vezes para obter a quantidade necessária para a coleta de dados.
    Cuidado: Preparação e manipulação dos nanomateriais só devem ser realizadas dentro de armários de biossegurança.
  3. Retire o pó de 60 C esmagado diretamente a argamassa usando uma espátula pequena e espalharam tão fina quanto possível as células do titular da amostra, com o lado adesivo de apoio no suporte de amostra, enfrentando o pó o filme de poliimida.
    1. Para criar com êxito um monolayer uniforme, coloque o lado adesivo de um segundo filme de poliimida (também 10 µm de espessura) diretamente sobre o pó no porta-amostras e puxar. Pó de 60 excesso C vai ficar com o segundo pedaço de fita e pode então ser retirado do suporte de amostra.
    2. Repetir até que não mais pó sai a fita e uma monocamada de pó de 60 C aparece uniformemente distribuída através de amostras individuais de células de suporte (ver Figura 1b).
  4. Deixar pelo menos uma janela em branco (sem amostra), para permitir que um fundo de poliimida que gravassem.
  5. Selar o titular da amostra em um recipiente de plástico para transporte à câmara de amostra beamline.

2. Estudos preliminares de síncrotron australiano

  1. uso C 60 preparado como etapas 1.1-1.5 para difração na trajetória de MX2 no Síncrotron australiano.
  2. Solicitar uma energia incidente de 12.905 keV (0.9607 Å) e um tamanho de feixe de 30 x 7....
  3. Montar o porta-amostras C 60 em um pino padrão cristalografia, vertical para o feixe de raio-x sobre o goniômetro a uma distância de cerca de 625 mm do detector, para permitir que dados de alta resolução para serem coletados.
  4. Mover o bocal criogênico fora de posição para garantir dados de difração de pó de temperatura coletado.
  5. Abrir Blu-gelo 10 programa de software que controla a trajetória de MX2.
  6. Imprensa o ' iniciar ' o botão para iniciar a coleta de dados.
  7. Teste de tempos de exposição diferentes (repetindo as etapas 2.5 e 2.6) para garantir que dados suficientes de pó são coletados na imagem (caracteriza-se por anéis de difração forte para fora para a borda do detector) maximizar a gama dinâmica do sinal sem saturar o detector de.
  8. Scan da janela de amostra de 60 C e coletar imagens múltiplas da mesma amostra.

3. Pedido XFEL parâmetros de configuração Beamline

  1. pedido a menor duração de pulso possível disponível no LCLS (abril de 2012-32 fs FWHM), sem perda significativa de fluxo (' modo de alta carga ') para o experimento no raio-x de coerente LCLS Imagem latente (CXI) 11 beamline.
  2. Solicitar o uso de 10 keV (1,24 Å) incidente energia de raios-x.
  3. Solicitar o menor focal ponto tamanho praticamente viável usando espelhos CXI Kirkpatrick-Baez (KB) da ordem de 100 x 100 nm 2.
    Nota: Ajuste a duração do pulso e feixe focando é realizada pelos cientistas na trajetória da CXI. O tamanho do feixe desfocado montante da ótica KB foi aproximadamente 800 x 800 µm 2, depois concentrando-se o tamanho do feixe alcançado no ponto focal era aproximadamente 300 x 300 nm 2 FWHM, conforme determinado pela microscopia óptica de crateras feita pelo XFEL feixe em cristais de YAG.
  4. Solicitar uma amostra - distância do detector (Z-distância) de 79 mm ( Figura 1C).

4. Gravar o Darkfield

  1. definir os parâmetros de dados no painel de controle 12 DAQ (aquisição de dados): feixe (off), número de eventos (500), dispositivo de gravação de evento (Cornell-SLAC Pixel Array Detector - CSPAD13).
  2. Imprensa ' registro executar ' quando estiver pronto para gravar um conjunto de dados de imagens instantâneo.
    Nota: O conjunto de dados de todos os eventos gravados é chamado um ' executar ' e é salvo na. Formato de arquivo XTC.

5. Gravar os 10% incidente XFEL fluxo executar

  1. solicitar a colocação de espessura apropriada do atenuador de alumínio a jusante da amostra e diretamente em frente a Cornell-SLAC Pixel Array Detector (CSPAD) 13 para protegê-lo contra danos.
  2. Solicitar a inserção de Atenuadores de silício montante da amostra em uma espessura calculada para atenuar a 90% do incidente radiografia acertando a amostra. Observe que o fluxo de pulso é estimado a partir do monitor de corrente de feixe. A fluência na amostra foi estimada em 8,3 x 10 17 fótons /mm 2 / pulso.
  3. Montar o porta-amostras que contém a amostra de 60 C na câmara de vácuo CXI.
  4. Solicitar os trajetória de cientistas para realizar o procedimento de bomba de vácuo para a câmara de amostra até atingir vácuo. Demora cerca de 30 minutos para chegar a 10 -7 Tor, à temperatura ambiente.
  5. Definir o registro de dados parâmetros no painel de controle DAQ: feixe (na), eventos (1500), dispositivo de gravação de evento (CSPAD).
  6. Clique o ' Scan ' botão na seção de configuração da janela DAQ GUI.
  7. Fornecer parâmetros para a trajetória de cientistas para definir o raster digitalizar o procedimento para a gerência. Estes incluem o início posição (canto superior esquerdo) e fim (canto inferior direito) de posição da janela da cela de amostra de um titular, os tamanhos de etapa (600 µm) e a direção do movimento de varredura (no eixo x). Usando estes parâmetros, a janela de uma célula (mostrado na Figura 1 um) permite que mais de três linhas da janela da cela vinte exames na direção x.
  8. Imprensa ' aplicar ' quando foram inseridos os valores corretos.
  9. Solicitar os trajetória de cientistas para definir a taxa de repetição do pulso de 1 Hz. Nota: A taxa de repetição de pulso disponível no LCLS é 120 Hz, porém no alvo fixo digitalização modo 14, uma menor taxa de repetição de pulso é necessária para evitar a possibilidade de medir a amostra que já tenha sido danificada por um tiro anterior. Cuidado: Interação XFEL com o frame de alumínio amostra representa o risco de saturação e dano do CSPAD e então cuidado deve ser tomado para evitar o frame.
  10. Imprensa ' registro executar ' para gravar um dataset de difração de pó de instantâneo XFEL.
  11. Usando o ambiente de computação disponível em LCLS 12, navegue até o diretório de arquivo que os dados são registrados em dentro de uma janela de terminal.
  12. Digite o comando ' xtcexplorer/filepath/filename ' para abrir o explorador de ficheiros XTC GUI e exibir imagens gravadas no prazo.
  13. Seleção de imagens para saturação possível detector, que normalmente ocorre em cerca de 1,4000 ADUs 13. Se o detector mostra sinais de saturação, que a atenuação de alumínio no detector precisa ser aumentado. Se isso ocorrer, solicitar mais camadas de atenuador de alumínio para o detector e repita etapas 5.6-5.12 com o raster varredura definido para a próxima janela de célula de titular de amostra. Uma camada de alumínio 100 & #181; m de espessura, abrangendo os quatro módulos centrais do CSPAD foi usado para este dataset.

6. Gravar o 100% XFEL fluxo executar

  1. solicitar a inserção do atenuador de espessura de alumínio (1.000 µm) sobre os quatro módulos centrais do CSPAD e mais fino 100 µm espessura atenuador sobre os quatro módulos exteriores.
  2. Solicitar a remoção de Atenuadores de silício para permitir 100% do fluxo de raio-x disponível para bater a amostra. O fluxo de incidente pico pico unattenuated foi estimado para ser 7,5 × 10 11 fótons/pulso (dando uma fluência de aproximadamente 8.3 x 1018 fótons/mm2/pulso na amostra).
  3. Repita os passos 5.5-5.12 para registrar o conjunto de dados de difração em uma nova janela de pilha de titular amostra.
  4. Repita o passo 5.13 para monitorar o status de saturação do detector e determinar se a Bragg suficiente pó anéis de difração ou manchas de Bragg (saiu à borda do detector) são bem definidas e visíveis.

7. XFEL dados pós-processamento e análise de pico

  1. recuperar a calibração de arquivo (ou caminho do arquivo) dos cientistas beamline.
    Nota: Os dados CSPAD em um dataset são fornecidos como painéis individuais detector agrupados por um número de evento (correspondente a uma capturação de quadro). O arquivo de calibração é necessário para montar painéis de detector para a posição relativa correta para produzir um quadro de imagem reconstruída correspondente ao detector todo.
  2. Extrair o darkfield executar dataset usando o python linguagem de script e aplicar o arquivo de calibração darkfield frames (exemplo mostrado na Figura 2a). Nota: o software e um processamento de dados estabelecido pipeline para o experimento de cristalografia femtosecond serial no XFELS que não estava disponível no momento desta experiência é agora disponível 15 , 16 .
  3. Somar os quadros darkfield e gerar uma imagem de campo escuro médio. Salvar como o darkfield.
  4. Extrair as imagens do quadro de difração de difração executar conjuntos de dados (um quadrante de exemplo é mostrado na Fig. 2b) e aplicar uma subtração de campo escuro. A dispersão do sinal produzido em quadros individuais (após correção de campo escuro e fundo) é mostrado na Figura 2 c.
  5. Soma o darkfield corrigido imagens de difração para produzir a imagem de difração de pó 2D final ( Figura 2d).
  6. Carregar a imagem de difração de pó como arquivo de entrada em FIT2D 17 (um programa de redução do dados do GUI).
  7. Entre as dimensões da imagem (x-comprimento e y-como 1.800 pixels) e selecione ' pó difração (2D) '.
  8. Clique ' feixe centro ' para localizar o centro dos anéis de difração. Selecione quatro pontos sobre o interior mais difração anel (aproximadamente igualmente espaçado). Imprensa ' continuar ' para determinar o centro da matriz de padrão de difração.
  9. Clique ' integra-se ' para realizar uma integração azimutal da imagem difração.
  10. Introduzir os parâmetros de geometria: tamanho do pixel (110 microns), distância de amostra-detector (79 mm), comprimento de onda (1,24 Angstrom) e pressione continuam a gerar um padrão de difração de pó 1D.
  11. o padrão de difração de pó de exportação como um arquivo. Chi para produzir uma matriz de ângulo de dispersão (2 θ) versus valores de intensidade.
  12. Determinar o fundo representado pela dispersão da poliamida de poliimida apoio na amostra usando o software apropriado. Nota: Os autores neste experimento usaram PowderX 18 e RIETAN 19 para realizar a subtração de fundo do padrão de difração de pó 1 D.
  13. Executar etapas 7.1-7,9 para o conjunto de dados é executado gravado para as diferentes intensidades XFEL.
  14. Selecione o valor máximo da intensidade fora os perfis de difração de 3 pó.
  15. Normalizar todos os perfis para o pico mais intenso no padrão de – o pico (111).
  16. Lote 1D raio-x em pó difração padrões obtidos a partir do síncrotron australiano (descrito no protocolo seção 2), o caso de fluxo de 100% e o caso de fluxo de 10% sobre os mesmos eixos usando software genérico de plotagem ( Figura 3 a-c).
  17. Opcional passo: caracterizar a estrutura através da realização de métodos de análise adicionais de sua escolha. Análise de dados cristalográficos este experimento foi realizada usando o programa RIETAN-2000 (incorporando a função split de pseudo-Voigt de Toraya 20 , 21, como uma função de perfil) para Analise a reflexões de Bragg. Máxima entropia a análise foi realizada utilizando o software PRIMA 22 para confirmar que a estrutura relativas à intensidade XFEL 10% e datasets síncrotron australiano comparados a estrutura publicada por temperatura FCC C 60 .

Representative Results

Difração de XFEL

Os dados apresentados para o 100% incidente fluxo difração de XFEL é o resultado da soma mais de 1000 medições único tiro para produzir um pó-anel completo com uma resolução melhor do que 2 Å.

Comparação de perfis de difração de pó

Picos para os anéis de difração de Bragg foram identificados e dimensionados para a primeira reflexão de pico (mais intensa) (111). A Figura 3 mostra os três perfis de linha de difração diferentes. Comparando-se os perfis da linha dos três padrões de difração, observamos que os dados de difração gravados no Síncrotron australiano são quase idênticos ao perfil de Bragg visto nos dados XFEL 10%. Observam-se algumas diferenças muito pequenas nas alturas relativas dos picos de Bragg, mas não as suas posições. Em contraste, o perfil do poder 100% dados de difração de pó XFEL revela a presença de picos adicionais não visto no perfil de dados XFEL de 10%, nem no perfil dados síncrotron. Os locais destas reflexões extra são identificados na tabela 1. A fim de interpretar essas diferenças, foi construído um ajustamento ao modelo de difração esperada de uma temperatura ambiente FCC C60 cristal.

Raio-x, difração modelagem da temperatura de quarto FCC C60 estrutura

A intensidade dos picos de difração de pó associado com reflexões de Bragg de um cristal é dada por
Equation 3(1),

onde Equation 4 é o vetor de dispersão, K é o fator de escala, Equation 5 é o fator de multiplicidade, Lp é o fator de Lorentz-polarização, W(Equation 4) é a função do perfil de pico e M é o número de C60 moléculas contidas no volume espalhamento localizado em posições rm. O fator de forma molecular (MFF), Equation 6 , para uma molécula de60 C é dada por

Equation 7(2),
onde rj é a posição do átomo de carbono jth na molécula e fc é o fator de espalhamento atômico do átomo de carbono.

Os parâmetros de célula unidade do cristal definem as posições das reflexões permitidos para um padrão de difração de pó de raio-x. Usando os parâmetros de temperatura conhecida FCC (unidade de comprimento de célula, molécula posições dentro da célula de unidade) de C60, juntamente com a geometria experimental no experimento de difração de raios x, as posições esperadas dos picos (reflexões de Bragg) pode ser calculado usando o quadro financeiro plurianual para C60 e EQ. 1 e EQ. 2.

Difração de raios x, modelagem de dados XFEL 100%

Começamos por supor que distorções/transformações significativas ou deslocamentos dos núcleos de suas posições ideais não ocorrem durante o fs 32 duração do pulso incidente como antes sugerido em estudos de23,24. Em vez disso, essa mudança significativa nas intensidades visto nos dados XFEL 100% em vez disso deve ser conduzida por movimentos da estrutura eletrônica das moléculas60 C. A seguir descrevemos um modelo que reproduz as características observadas experimentalmente de dados de difração XFEL a 100%, através de uma modificação da distribuição simétrica-centro das moléculas60 C.

Em seu estado normal, neutro, a estrutura cristalina de C60 é mantida por forças dipolares que são induzidas pelas flutuações instantâneas em sua densidade de elétrons. Nas condições experimentais descritas aqui, no entanto, a ionização do sistema gera um forte campo elétrico interno que induz os momentos de dipolo elétricos em moléculas por polarização. Anteriormente, a formação de dipolos em C60 só tem sido observada em moléculas simples e pequenos grupos, utilizando técnicas ópticas como espectroscopia de UV25. Aqui, no entanto, a redistribuição da densidade do elétron observada é evidentemente de longo alcance e longa duração em relação a duração do pulso XFEL para que seus efeitos são observados no padrão de difração de raios x cristalográficas.

Isso resulta no alinhamento de dipolos vizinhos através de uma interação de Coulomb e uma dissociação da estrutura eletrônica da estrutura nuclear subjacente em escalas de tempo da ordem de 10 fs. Isto cobrado alinhamento afeta a simetria resultante da molécula60 C (ver Figura 4). A perda de simetria esférica da molécula leva a uma contribuição adicional de fase para a amplitude de espalhamento, uma vez que as moléculas de60 MFFs de C já não são funções reais, mas complexas.

Um QFP periodicamente diferentes foi usado para modelar a ocorrência de uma distribuição de carga molecular assimétrica, em que a distribuição da densidade do elétron da molécula mth é deslocada em relação à sua posição na estrutura de cristal. Com esta modificação para a C60 MFF, fomos capazes de replicar o perfil de intensidade visto nos dados XFEL 100%.

EQ. 2 fornece a base para construir uma expressão para o fator de espalhamento, que capta as correlações eletrônicas de longo alcance, formadas a partir os dipolos induzida por XFEL nos dados XFEL 100%. Uma nova função de QFP, modificada para conta para as moléculas polarizadas de60 C, pode ser construída a partir desta:

Equation 8(3),

onde Equation 9 é o quadro financeiro plurianual das moléculas de C de60 ideais (dado pela EQ. 2) e Equation 10 define o vetor de polarização do dipolo a XFEL induzido. O limite de Equation 11 , EQ. 3 se aproxima a EQ. 2 e os dados de difração de energia de 10% temperatura são recuperados. ComoEquation 12 aumenta, a simetria da molécula é alterada, e as relações de todos os picos de difração possível começarem a variar. A distribuição real das moléculas polarizadas em um reticulado cúbico afeta o padrão de difração resultante.

Quando Equation 13 , a simetria da molécula C60 é alterada e as relações de todos os picos de difração possível começarem a variar em relação ao padrão de difração de baixa potência. Para ajustar os dados para este modelo, os valores de Equation 14 foram exploradas, mostrando bom acordo no 20° ≤ 2θ ≤ 30 ° intervalo de ângulos de espalhamento para Equation 16 .

A finalidade do experimento era medir o grau ao qual fotoionização estocástica do K-shell em átomos de carbono afeta as intensidades difractadas medidas para FCC C60 nanocristais. Fotoionização dos elétrons em átomos de carbono K-escudo (energia de ligação do elétron = 284 eV) modifica os fatores de espalhamento atômico, fc, vistos como uma amplitude reduzida dispersão dentro da alta Equation 4 regiões de dispersão. Buracos de K-shell em átomos de carbono dentro C60 moléculas arranjados em um reticulado cristalino provoca modificações das amplitudes de espalhamento as reflexões de Bragg.

Esperávamos observar um crescente fundo isotrópico, dependente do fluxo de fótons aplicado a amostras de nanocrystal em pó de acordo com as seguintes premissas fundamentais: 1) que a fotoionização do K-reservatório de carbono é o processo dominante na interação de amostra-XFEL, 2) que fotoionização de átomos de carbono individual não está correlacionada com qualquer outros átomos no cristal, 3) que fotoionizado os elétrons permanecem deslocalizados para a duração do pulso e, portanto, contribuir para o plano de fundo contínuo sinal.

O que realmente observamos no experimento foi a presença de forte, proibido reflexões em temperatura ambiente, FCC nanocristais de C60 quando a amostra foi submetida aos pulsos de XFEL 100% de energia. Eventos de ionização deslocalizados, aleatório não me responsabilizo observado proibido reflexões.

A Figura 3 mostra a aparência destas reflexões proibido, coincidindo com uma redução substancial nas intensidades das reflexões FCC permitidas. Estas mudanças não podem ser descritas por qualquer ordenação como orientação específica das moléculas de60 C ideais na estrutura cristalina.

De acordo com nossa análise1, uma correlação, distribuição de carga não-centrossimétricas em cada molécula de60 C (EQ. 4), revelou-se o único meio de gerar um perfil de difração de pó de modelo que coincide com os dados experimentais (vistos em Figura 5). Para comparação, todos os dados e modelos são mostrados juntos, mas deslocamento verticalmente em relação ao outro, no mesmo eixo na Figura 6.

Figure 1
Figura 1. Geometria e XFEL pó difração amostra Setup
(um) porta-amostras utilizado para o destino fixo digitalização modo de pó de cristal de60 C. O quadro de amostra é construído a partir de alumínio. Medidas indicadas estão em unidades de mm. aproximado dimensões das amostras de células são 2 mm x 12 mm. (b) fotografia de C60 pó de cristal aplicado em três das células (vistas como células sombriamente coloridas), com apoio de poliimida aplicado como um suporte ( o filme amarelo em cima do porta-amostras). (c) diagrama esquemático do experimento C60 . A amostra é raster digitalizado nas direções x-y no instantâneo do esquema de imagem. Espelhos de K-B concentrar o feixe XFEL para um tamanho de ponto de 300 nm, x 300 nm, a amostra. Amostras são realizadas em vácuo para estabilizar as condições de amostra e minimizar a possibilidade de interação de raios-x com fontes de dispersão diferente da amostra. Pulsos de entrada XFEL bater o pó de cristal, realizado em células de titular a amostra, e um padrão de difração é gravado no detector CSPAD. Uma resolução de 1.5 Å é conseguida definindo-se a amostra à distância de detector de 79 mm. clique aqui para ver uma versão maior desta figura.

Figure 2
Figura 2. O CSPAD
Observe que a barra de escala branco em um), b) e d) representa 40 milímetros.
(a) CSPAD darkfield. O detector é composto de 32 módulos retangulares, as posições das quais podem ser alteradas movendo concêntrica para fora para registro alto-ângulo difração conforme necessário. (b) resumiu os quadros de dados brutos (quadrante direito superior, mais de 1000 quadros resumidos) antes da correção do fundo e darkfield. (c) instantâneos de difração Individual demonstrando a dispersão do sinal de difração. (d) perfil de difração mostrando bem definidos anéis de difração de pó realizadas somando 1500 quadros de difração com subtração de sinal de fundo aplicada para quadros individuais.

Figure 3
Figura 3. Dados de difração de pó
(a) Azimuthally em média, os padrões de difração para o conjunto de dados XFEL de 10%, 100% XFEL dataset e dataset síncrotron. Posições dos picos de FCC Bragg são indicadas consistente com uma estrutura de FCC temperatura C60 . (b) região de baixo-relevo mostrando reflexões presentes na estrutura de FCC 100% entre dispersão ângulos 10⁰ ≤ 2θ ≤ 13⁰ não visto em outros dois perfis. (c) região de baixo-relevo mostrando o perfil de pico diferente nos dados XFEL 100% entre o espalhamento ângulos 20⁰ ≤ 2θ ≤ 28⁰. Os dados XFEL 10% e os dados de síncrotron ambos satisfazem que as regras de seleção para estruturas de FCC composto de moléculas de centrossimétricas eletronicamente. No entanto, a presença dos picos extras (reflexões) visto nos dados XFEL 100% violar essas regras de seleção. Clique aqui para ver uma versão maior desta figura.

e = "1" >Figure 4
Figura 4. Distorção transiente do C60
Visualização do alinhamento dos dipolos dentro da estrutura de treliça de FCC durante a fase transitória eletrônico correlacionado. C60 moléculas são representadas por esferas azuis e as pontas vermelhas representam a direção dos dipolos ordenadas.

Figure 5
Figura 5. Modelo de difração de pó
Perfil de difração de pó gerado pela modelagem da estrutura da FCC para C60 (usando Eq 1 e 2) em comparação com um modelo da estrutura de60 FCC C submetido a uma intensidade de 100% pulso XFEL (usando Eq 1 e 3). Identificados picos são rotulados de Bragg. Uma região de interesse (20° ≤ 2 θ ≤ 30°) é realçada pela linha pontilhada. Embora o modelo FCC descreve a intensidade do poço permitido reflexões, não explica a presença de um número de picos adicionais (ver Figura 2a e b) observado para a intensidade de 100% dados XFEL. A razão para isto é que a simples tradução do cluster molecular (Figura 3) ao longo do eixo cristalográficos do retículo cúbico dá-em um quadro incompleto da ordenação como orientação das moléculas de60 C polarizadas no cubic retículo. Por outro lado o modelo XFEL 100%, que leva em conta induzida por ionização alinhamento os dipolos dentro o retículo de FCC (como mostrado na Figura 4), reproduz todos os picos adicionais observados na intensidade 100% dados XFEL. Clique aqui para ver uma versão maior desta figura.

Figure 6
Figura 6. Comparação de perfil de pó entre modelo e dados
Uma comparação qualitativa dos perfis de linha para os três padrões de difração gravado sob condições de iluminação diferentes experimentalmente. Além disso, os perfis de linha calculada usando equações 2 e 3 usando nosso modelo são mostrados. É evidente que a introdução de um quadro financeiro plurianual periodicamente modificado, o perfil de linha de modelo XFEL 100% de acordo com nossos dados XFEL 100%.

Ângulos medidos dispersão extra reflexões (deg). Ângulos de dispersão calculada de reflexões extras (deg).
21.31 21.25, 21,45
23.23 22.99, 23,02, 23,39
24.44 24.29, 24.43, 24.47 24.64
26,6 26.51, 26.67

Tabela 1. Reflexões de Bragg, vistos em XFEL dados
O conjunto de reflexões de Bragg medido dentro do 20⁰ ≤ 2θ ≤ 30⁰ para os dados de difração de XFEL 100%, bem como aqueles calculados usando Eqns. 1-4.

Posição da molécula Alinhamento
(0, 0,0) table2_1
(0.5,0.5,0) table2_1
(0.5,0,0.5) table2_2
(0,0.5,0.5) table2_2

Tabela 2. FCC alinhamento Molecular durante transitórios correlacionados fase
Esta tabela descreve o alinhamento das moléculas de60 C polarizadas durante a fase transitória correlacionado do cristal experimentada durante o pulso XFEL.

Discussion

Calibração de quadros de dados de difração.

A. Arquivos XTC (que contêm os dados de uma corrida completa) contêm parâmetros de calibração que definem o arranjo geométrico dos módulos CSPAD (mostrado na Figura 2a) durante o experimento. A disposição correta dos dados gravados em módulos individuais é crucial para montar as imagens de dados individuais de difração que abrange dados gravados em cada execução. No momento que o experimento foi realizado o local do arquivo de calibração contendo os parâmetros corretos não foi automaticamente definido e computação manual foi exigida pela equipe para corrigir o problema. Devido a tempo extra gasto executar calibração dos dados houve um lapso de tempo entre definindo um conjunto de dados de instantâneo executar e verificar o êxito da execução através de um campo escuro e fundo de subtraído o somatório de quadros de imagem no conjunto de dados.

Tamanhos de cristal.

Em alguns a inicial XFEL instantâneo é executado, forte cristal único reflexões de Bragg foram vistos em alguns dos quadros da imagem. Isto resultou de alguns da amostra60 C não sendo triturada finamente o suficiente. Observar ópticos reflexões de pó triturado indica que as facetas de cristal são muito grandes (correspondem ao comprimento de onda da luz visível ~ 400-700 nm). O pó deve ser marcado para estas reflexões na fase de esmagamento, e se forte, único cristal reflexões de Bragg são vistos nos dados o pó precisa ainda mais ser esmagado.

Desde que os resultados desta experiência não foram esperados ou planejados para coleta de dados de difração de pó bem sucedido para a amostra de60 C só foi obtida em duas configurações de extrema intensidade (10% e 100% fluxo). Tempo de feixe na instalação é limitado e, portanto, qualquer configuração, computação ou processamento de erros e problemas de amostra ter um grande impacto sobre um plano experimental. As duas mais extensamente separaram intensidade incidente pontos foram priorizados e não havia tempo de feixe insuficiente disponível para recolher estatísticas fiáveis para quaisquer pontos intermédios. Portanto, não fomos capazes de avaliar experimentalmente o ponto de disparo em termos de fluxo XFEL em que ocorre essa mudança de fase transitória.

Estudos preliminares.

Coletando dados de difração de pó no Síncrotron australiano, da mesma amostra de60 C, medido na XFEL. Os síncrotrons são usados rotineiramente para a tela para adequado XFEL destinos26e no presente caso positivamente confirmou que a intensidade XFEL de 10%, os dados de difração eram consistentes com a estrutura de estado fundamental FCC de C60.

Amostra e detector de atenuação.

Calibração do fluxo incidente através do ajustamento do montante os atenuadores de silício da amostra foi essencial, especialmente desde que o efeito em estudo era dependente de intensidade. Construção de um atenuador de alumínio adequado para o detector, combinado com o fluxo incidente também foi crítica.

Bater a amostra no local do ponto de foco do feixe.

A localização do ponto focal para a XFEL KB também foi essencial para observar o fenômeno relatado, desde que a densidade de fluxo da amostra deve ser suficiente para induzir a formação de dipolos em todo o cristal. Medir o tamanho de crateras criadas pelo feixe XFEL em um cristal de YAG utilizando microscopia óptica, bem como executar uma verificação de amostra bem ao longo do eixo óptico e a olhar para a intensidade de difração foi usada para determinar a localização do plano focal.

No futuro serão exploradas implementações deste trabalho um maior número de intensidades incidentes, bem como durações de pulso. Este trabalho tem implicações potenciais para próximas experiências, analisando os dados de difração coletados de nanocristais em fontes XFEL. Ele também fornece novos insights sobre a interação fundamental da XFELs com a matéria, destacando que os XFELs têm o potencial para explorar a nova física não acomodadas cristalografia convencional.

Disclosures

Os autores não têm nada para divulgar.

Acknowledgments

Os autores reconhecem o apoio do australiano Conselho centro de excelência em pesquisa em imagem Molecular Avançada. Porções desta pesquisa foram realizadas a LCLS, uma instalação de usuário nacional, operada pela Universidade de Stanford, em nome do departamento de energia dos EUA, escritório de ciências básicas de energia. Reconhecemos que o financiamento de viagens fornecidas pelo programa de acesso internacional síncrotron gerenciado pela e pelo governo australiano. Além disso, alguns desta pesquisa foi levada a cabo na MX1 e MX2 de luz síncroton no que, Victoria, Austrália. Autor de contribuições: B.A. foi responsável por planejar e gerenciar todos os aspectos experimentais do projeto. Experimentos foram desenhados por B.A., R.A.D., V.S., C.D. e G.J.W. B.A., H.M.Q., K.A.N. e R.A.D. escreveram a proposta original de LCLS. D.W. R.A.D., R.A.R., Mav, E.C. e S.W. realizado o trabalho de simulação. B.A., R.A.D., C.D., Valle, M.W.M.J., R.A.R., Jaki, F.H., G.J.W., S.B., M.M., M.M.S., A.G.P., C.T.P., malformação e K.A.N. coletaram os dados experimentais no LCLS. S.W., V.A.S. e R.A.D coletados dados experimentais no Síncrotron australiano. C.T.P. e malformação levaram a conversão de dados experimentais e análise. B.A., C.D., Nova Guiné e E.B. foram responsável pela concepção do titular de amostra e teste. R.A.R, B.A., S.W., A.V.M e H.M.Q escreveram este manuscrito. A formulação do dano eletrônico dentro da teoria da coerência é executada por H.M.Q. e K.A.N.; R.A.D. concebeu a ideia para aplicar este formalismo C60.

Materials

Name Company Catalog Number Comments
Macroscopic 99.5+ % pure C60 SES RESEARCH
Pestle and mortar Sigma Aldrich used for crushing C60 powder;
Aluminium sheet used for constructing sample holder
kapton polyimide film Du Pont http://www.dupont.com/products-and-services/membranes-films/polyimide-films/brands/kapton-polyimide-film/
CXI beamline SLAC http://scripts.iucr.org/cgi-bin/paper?yi5003
safety glasses
biosafety cabinet

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Química edição 126 Nanocrystallography difração de raios x de Femtosecond correlacionados elétron Dynamics Lasers de elétron livre de raio-x Linac coerente fonte de luz Buckminsterfulereno
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Ryan, R. A., Williams, S., Martin,… More

Ryan, R. A., Williams, S., Martin, A. V., Dilanian, R. A., Darmanin, C., Putkunz, C. T., Wood, D., Streltsov, V. A., Jones, M. W. M., Gaffney, N., Hofmann, F., Williams, G. J., Boutet, S., Messerschmidt, M., Seibert, M. M., Curwood, E. K., Balaur, E., Peele, A. G., Nugent, K. A., Quiney, H. M., Abbey, B. Measurements of Long-range Electronic Correlations During Femtosecond Diffraction Experiments Performed on Nanocrystals of Buckminsterfullerene. J. Vis. Exp. (126), e56296, doi:10.3791/56296 (2017).

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