Medidas de largo alcance correlaciones electrónicas durante los experimentos de difracción de femtosegundo realizadas en nanocristales de buckminsterfullereno

El objetivo general de este experimento de difracción de polvo de láser de electrones libres de rayos X es investigar la dinámica electrónica inducida en nanocristales de C60, a través de la interacción con intensos pulsos de rayos X de femtosegundos. Este método puede ayudar a responder a la pregunta de dónde los rayos X emitidos en pulsos extremadamente cortos en ráfagas muy intensas afectan a las muestras de maneras que se desvían de la cristalografía de rayos X convencional. Aunque este método se ha aplicado a la estructura electrónica traduccional de C60, también podría aplicarse a una serie de otras muestras, incluidos los cristales de proteínas.

Por lo general, las personas nuevas en este método tendrán dificultades, porque la ciencia de los rayos X es relativamente nueva. Los protocolos aún se están desarrollando y probando. El experimento depende de la correcta preparación de la muestra de C60.

Tenga listos los materiales necesarios en un gabinete de bioseguridad. Estos materiales incluyen una fuente de cinco gramos de polvo C60 y mortero. Además, prepare un portamuestras para el experimento.

Este portamuestras con marco de aluminio tiene 48 celdas de aproximadamente dos milímetros por 12 milímetros y tiene un grosor de un micrómetro. Completa el portamuestras adhiriendo una película adhesiva de poliamida de 10 micras de espesor para cubrir un lado del marco. Con la película de poliamida en su lugar, las células ahora forman pocillos donde se pulveriza el C60.

Una vez que el portamuestras esté listo, comience a trabajar con el C60. Transfiera un pequeño lote de aproximadamente 100 microgramos al mortero, el nivel de polvo no debe exceder la altura del borde redondeado del mortero. Tritura el polvo para producir nanopartículas finas.

Los cristales que son demasiado grandes difractan demasiados rayos X durante el experimento de rayos X. Comprueba que los cristales no muestren reflejos de luz visible, ya que esto es una señal de que no se han triturado lo suficientemente finos. Use una espátula pequeña para quitar el polvo C60 triturado del mortero.

A continuación, extienda el polvo lo más finamente posible a través de las celdas del portamuestras y sobre el soporte adhesivo de la película de poliamida. Repita triturando el polvo y aplicándolo a las celdas hasta que estén todas llenas. A continuación, obtenga una segunda película de poliamida con respaldo adhesivo que pueda cubrir todo el portamuestras.

Aplique el lado adhesivo directamente sobre el polvo en el portamuestras. A continuación, retire la película para crear una monocapa uniforme en el portamuestras. Aplique las nuevas láminas de poliamida de la misma manera hasta que no se desprenda más polvo.

Una vez hecho esto, la monocapa C60 debería aparecer distribuida uniformemente por las células individuales. Selle el portamuestras en un recipiente de plástico para su transporte. Este dibujo proporciona una visión general del experimento en la fuente de luz coherente linac en Stanford.

La muestra se monta a 79 milímetros delante y en paralelo al detector de matriz de píxeles SLAC de la córnea en una cámara de experimento a 10 por menos siete Torr. Un pulso de 32 femtosegundos y 10 kiloelectronvoltios, con el tamaño de punto focal práctico más pequeño, se dirige perpendicular a la muestra. Al ver el portamuestras en el lado del haz, programe el procedimiento de escaneo rasteur para que comience en la esquina superior izquierda de una ventana de celda de muestra.

A continuación, escanee horizontalmente en pasos de 600 micrómetros hasta llegar al límite de la celda. Desplácese hacia abajo 600 micrómetros y vuelva a escanear de izquierda a derecha. Después de un último escaneo y en la esquina inferior derecha de la ventana de la celda de muestra.

Realice un escaneo con el 90% de los rayos X incidentes atenuados a una frecuencia de pulso de un hercio. Visualice las imágenes para comprobar la posible saturación del detector, ya que en este caso, la saturación indica la necesidad de una mayor atenuación antes del detector. Resuelva los problemas de atenuación para que no haya saturación del detector.

A continuación, el experimento puede continuar, utilizando otra celda portamuestras. Para el análisis de picos, comience con un archivo de imagen de difracción de polvo bidimensional. Abra el software fit2D y acepte los términos de uso.

En la siguiente pantalla, introduzca las dimensiones de la imagen de difracción. Haga clic en la dimensión X y establezca el valor, 1, 800 píxeles en este experimento, luego, haga clic en la dimensión Y y establezca su valor, también 1, 800 píxeles. Continúe moviéndose y haciendo clic en Aceptar.

En la siguiente pantalla, seleccione difracción de polvo 2D, pase a seleccionar la entrada para cargar el archivo. Elija el archivo de imagen de difracción de la lista. Seleccione Aceptar en la siguiente pantalla y en la pantalla siguiente.

A continuación, mueva el cursor para elegir el centro de la viga en el menú. Seleccione la opción de coordenadas circulares y, dentro de la barra de coordenadas concéntricas de entrada, seleccione la opción de dos clics. Ahora, en la imagen de difracción, trabaja en el anillo de difracción más interno.

Haga clic en un punto del anillo y, a continuación, haga clic en el centro de esta parte del anillo que se ve en el catalejo. Repita para tres puntos más en el anillo de difracción más interno, asegurándose de que los cuatro puntos seleccionados sean intervalos aproximadamente iguales en el anillo. Cuando termine, presione, haga clic aquí para terminar de determinar el centro del patrón de difracción.

Haga clic en integrar para realizar la integración de la imagen. En este punto, se requieren los parámetros de geometría física del experimento. Tamaño de píxel, distancia del detector de muestras y longitud de onda de rayos X.

Cuando se ingresan estos valores, presione continuar para generar un patrón de difracción de polvo unidimensional. El software generará un gráfico de intensidad frente al ángulo de dispersión de los datos. Vaya a los elementos del menú y seleccione la salida de las opciones de salida, elija el gráfico de chips.

Introduzca un nombre para el archivo antes de guardarlo. Después de guardar el archivo, cierre el programa. Aquí hay datos unidimensionales de conjuntos de datos de electrones libres de rayos X.

Un conjunto de datos 10%flux está en verde y un conjunto de datos 100%flux está en rojo. A modo de comparación, hay un conjunto de datos de sincrotrón en color púrpura. Cuando se observan de cerca, los conjuntos de datos de sincrotrón y láser de electrones libres de rayos X de 10% de flujo muestran una estructura similar y coinciden en gran medida.

Sin embargo, los datos del láser de electrones libres al 100% de rayos X muestran picos adicionales. Los datos motivan un modelo del cambio en la estructura electrónica de las moléculas C60 debido a la interacción con el pulso. En esta imagen, las esferas azules representan moléculas C60 y las puntas rojas indican la dirección de los dipolos de orden.

Los momentos dipolares eléctricos inducidos conducen a una alineación de los dipolos vecinos y, en última instancia, a contribuciones adicionales de la cara a la amplitud de dispersión. Aquí están los datos y la salida de los modelos en un rango de ángulos de dispersión donde los datos del láser de electrones libres de rayos X = 100% flux muestran picos adicionales. Una vez más, los datos de sincrotrón y los datos de flujo del 10% coinciden y son consistentes con el modelo de la FCC.

Los datos del láser de electrones libres de rayos X de flujo 100% difieren de estos, pero se reproducen con precisión mediante el modelo creado para explicarlo. Una vez dominada, esta técnica puede tomar aproximadamente 12 horas en un solo turno de LCIF. Esto incluye todo, desde la preparación de la muestra hasta la prueba de la atenuación del detector y el posicionamiento de la muestra para dos flujos de rayos X diferentes.

Al intentar este procedimiento, es importante verificar las saturaciones del detector a lo largo de todas las ejecuciones experimentales. Asegúrese de ver las imágenes detectadas en tiempo real y detenga el experimento si se observa saturación en el detector. Siguiendo este procedimiento, se pueden llevar a cabo otros métodos como la espectroscopia de masas sobre las muestras irradiadas.

Sin embargo, las muestras generalmente se borran durante las radiografías. Después de su desarrollo, esta técnica ha allanado el camino para la ciencia de los rayos X. Observar y estudiar los efectos de las fuentes de luz de rayos X intensas en muestras de cristal y luego, usar los principios de la cristalografía de rayos X para comprender esto.

No olvide que trabajar con nanomateriales puede ser extremadamente peligroso, cuando prepare sus muestras de C60, asegúrese de utilizar campanas fumigadas y un gabinete de bioseguridad.