Opisujemy eksperyment mający na celu zbadanie uszkodzeń elektronowych indukowanych w nanokryształach buckminsterfullerenu (C60) przez intensywne, femtosekundowe impulsy promieniowania rentgenowskiego. Eksperyment wykazał, że dynamika elektronów indukowana promieniowaniem rentgenowskim w C60 nie jest stochastyczna, ale silnie skorelowana, rozciągając się na setki komórek elementarnych w obrębie kryształów1.
Artykuł metodologiczny
Pomiary korelacji elektronowych dalekiego zasięgu podczas eksperymentów dyfrakcji femtosekundowej wykonywanych na nanokryształach buckminsterfullerenu
W tym artykule
Podsumowanie
Streszczenie
Dokładne szczegóły interakcji intensywnych impulsów rentgenowskich z materią są przedmiotem intensywnego zainteresowania badaczy próbujących zinterpretować wyniki eksperymentów z femtosekundowym laserem rentgenowskim na swobodnych elektronach (XFEL). Coraz więcej obserwacji eksperymentalnych pokazuje, że chociaż ruch jądra może być pomijalny, biorąc pod uwagę wystarczająco krótki czas trwania impulsu padającego, nie można ignorować ruchu elektronicznego. Obecne i powszechnie akceptowane modele zakładają, że chociaż elektrony podlegają dynamice napędzanej przez interakcję z impulsem, ich ruch można w dużej mierze uznać za "przypadkowy". Pozwoliłoby to na potraktowanie rzekomo niespójnego wkładu ruchu elektronicznego jako ciągły sygnał tła, a tym samym zignorowanie. Pierwotnym celem naszego eksperymentu było precyzyjne zmierzenie zmiany intensywności poszczególnych pików Bragga, spowodowanych wywołanym promieniowaniem rentgenowskim uszkodzeniem elektronów w układzie modelowym, krystalicznym C60. Wbrew tym oczekiwaniom zaobserwowaliśmy, że przy najwyższych natężeniach promieniowania rentgenowskiego dynamika elektronów w C60 była w rzeczywistości silnie skorelowana i to na wystarczająco dużych odległościach, że położenie odbić Bragga uległo znacznej zmianie. W artykule szczegółowo opisano metody i protokoły wykorzystane w tych eksperymentach, które zostały przeprowadzone zarówno w Linac Coherent Light Source (LCLS), jak i Australian Synchrotron (AS), a także podejścia krystalograficzne zastosowane do analizy danych.
Wprowadzenie
Jednym z głównych celów rentgenowskich laserów na swobodnych elektronach (XFELs) jest opracowanie wysokoprzepustowego podejścia do obrazowania molekularnego i dynamiki w wysokiej rozdzielczości. Biologia strukturalna opiera się na informacjach w skali atomowej, tradycyjnie ograniczonych do technik krystalografii rentgenowskiej o niższej rozdzielczości wykonywanych na synchrotronach trzeciej generacji. Długie czasy naświetlania, które powodują znaczne uszkodzenia kryształów spowodowane promieniowaniem, mają duży wpływ na rozdzielczość osiąganą przy użyciu tradycyjnych technik. Schemat obrazowania dyfrakcji migawkowej2,3,4 stosowany w XFELs, polega na zbieraniu obrazów dyfrakcyjnych z krótkoimpulsowych promieni rentgenowskich uderzających albo w nieruchome próbki docelowe (które są przesuwane w poprzek ogniska wiązki), albo próbki wstrzyknięte na ścieżkę wiązki.
Interakcja impuls-próbka XFEL ostatecznie niszczy próbki, z powodu wystąpienia poważnych uszkodzeń spowodowanych promieniowaniem. Obrazy dyfrakcyjne są zbierane przed nadejściem tego zniszczenia ze względu na czas trwania impulsu poniżej 100 fs. Zdolność do określania struktur o wysokiej rozdzielczości na podstawie nanokryształów szybko staje się coraz bardziej ugruntowana. Jednak procesy dynamiczne, które zachodzą w femtosekundowych skalach czasowych w warunkach obrazowania eksperymentalnego, oferują głębszy wgląd w fizykę atomową i mogą mieć makroskopowy wpływ na nanokryształy i ich wzory dyfrakcyjne5,6,7.
Podczas gdy unika się katastrofalnych uszkodzeń strukturalnych na skali czasowej femtosekund, podczas której rejestrowany jest obraz dyfrakcyjny migawki, gęstość mocy impulsu XFEL może być wystarczająco wysoka, aby zmodyfikować właściwości elektroniczne próbki, z którą oddziałują promienie rentgenowskie7,8,9. Badanie fizyki oddziaływań intensywnych koherentnych impulsów promieniowania rentgenowskiego z materią jest nie tylko interesujące z naukowego punktu widzenia, ale będzie miało kluczowe znaczenie dla interpretacji każdego eksperymentu, w którym światło z impulsu XFEL jest wykorzystywane do badania struktury.
W eksperymentach obrazowania rentgenowskiego wykonywanych na pojedynczych cząsteczkach, małych klastrach lub nanokryształach składających się z kilku komórek elementarnych, analiza perturbacyjna wskazuje, że należy obserwować zarówno zmniejszenie pozornej spójności rozproszonego sygnału8, jak i wzrost sygnału tła bez struktury w wyniku procesów elektrodynamicznych9. Eksperyment ten miał na celu ocenę stopnia, w jakim dekoherencja spowodowana procesami elektrodynamicznymi zachodzi w sproszkowanym nanokrystalicznym C60 w wyniku interakcji z krótkimi impulsami XFEL.
W tym artykule podajemy szczegóły dotyczące procedury eksperymentalnej, w której obserwuje się wysoce uporządkowaną przejściową strukturę elektronową z nanokryształów C60 w wyniku interakcji z impulsem XFEL1. Wzór dyfrakcyjny wytwarzany w tych warunkach znacznie różni się od obserwowanego, gdy ta sama próbka jest oświetlana przez impulsy XFEL o mniejszej mocy, ale poza tym identyczne, lub gdy używana jest wiązka synchrotronowa o tej samej energii fotonów. Różnica ta jest zaznaczona obecnością pików Bragga, które nie są widoczne w dwóch profilach dyfrakcyjnych odpowiadających obrazom dyfrakcji małej mocy i synchrotronu. Demonstrujemy naszą analizę i podejście do dopasowania modelu, używane do potwierdzenia obecności dynamicznego zniekształcenia elektronowego wywołanego oddziaływaniem impuls-nanokryształ XFEL.
Protokół
1. C60 Przygotowanie próbki proszku
- Nałożyć folię poliamidową o grubości 10 μm na jedną stronę stałego aluminiowego uchwytu na próbki o grubości 1 mm (konstrukcja pokazana na Rysunek 1a).
- Rozdrobnić C60 za pomocą tłuczka i moździerza w małych partiach po około 100 μg. Ilość próbki dodawanej do moździerza nie jest krytyczna, ale upewnij się, że nie przekracza ona wysokości zaokrąglonego końca tłuczka, aby nie ryzykować zagęszczenia proszku zamiast jego zgniecenia. Zapewni to wytworzenie drobnych nanokryształów. Powtórz ten proces kilka razy, aby uzyskać ilość wymaganą do zebrania danych.
UWAGA: Przygotowanie i obchodzenie się z nanomateriałami powinno odbywać się wyłącznie w komorach bezpieczeństwa biologicznego. - Usunąć rozdrobniony proszek C60 bezpośrednio z zaprawy za pomocą małej szpatułki i rozprowadzić możliwie jak najcieńsze w poprzek komórek uchwytu próbki, tak aby strona klejąca podłoża z folii poliimidowej w uchwycie próbki była skierowana w stronę proszku.
- Aby skutecznie utworzyć jednolitą monowarstwę, umieść stronę klejącą drugiej folii poliimidowej (również o grubości 10 μm) bezpośrednio na proszku w uchwycie próbki i zdejmij. Nadmiar proszku C60 przyklei się do drugiego kawałka taśmy, a następnie można go usunąć z uchwytu na próbkę.
- Powtarzaj tę czynność, aż proszek przestanie schodzić z taśmy, a monowarstwa proszku C60 pojawi się równomiernie rozłożona na poszczególnych komórkach uchwytu próbki (patrz Rysunek 1b).
- Pozostaw co najmniej jedno puste okno (bez próbki), aby umożliwić zarejestrowanie tła poliimidowego.
- Szczelnie zamknąć uchwyt próbki w plastikowym pojemniku w celu transportu do komory na próbki linii badawczej.
2. Wstępne badania synchrotronowe w Australii
- Użyj C60 przygotowanego jak w krokach 1.1 - 1.5 do dyfrakcji proszku na linii badawczej MX2 w australijskim synchrotronie.
- Żądaj energii padania 12,905 keV (0,9607 A) i rozmiaru wiązki 30 x 7 um.
- Zamontuj uchwyt próbki C60 na standardowym trzpieniu krystalograficznym, pionowo do wiązki promieniowania rentgenowskiego na goniometrze w odległości około 625 mm od detektora, aby umożliwić zbieranie danych o wysokiej rozdzielczości.
- Przesuń dyszę kriogeniczną z pozycji, aby zapewnić gromadzenie danych dyfrakcji proszku w temperaturze pokojowej.
- Otwórz oprogramowanie Blu-Ice10, które steruje linią badawczą MX2.
- Naciśnij przycisk "Start", aby rozpocząć zbieranie danych.
- Przetestuj różne czasy ekspozycji (powtarzając kroki 2.5 i 2.6), aby upewnić się, że na obrazie zebrano wystarczającą ilość danych proszkowych (charakteryzujących się silnymi pierścieniami dyfrakcyjnymi wychodzącymi do krawędzi detektora), maksymalizując zakres dynamiczny sygnału bez nasycania detektora.
- Zeskanuj okno próbki C60 i zbierz wiele obrazów z tej samej próbki.
3. Poproś o parametry XFEL dla konfiguracji linii badawczej
- Poproś o najkrótszy możliwy czas trwania impulsu dostępny w LCLS (kwiecień 2012 - 32 fs FWHM), bez znacznej utraty strumienia ("tryb wysokiego ładunku") dla eksperymentu na linii badawczej LCLS Coherent X-ray Imaging (CXI)11.
- Poproś o użycie energii padania promieniowania rentgenowskiego 10 keV (1,24 A).
- Zapytaj o najmniejszy rozmiar plamki ogniskowej praktycznie osiągalny przy użyciu luster CXI Kirkpatrick-Baez (KB) rzędu 100 x 100 nm2,
UWAGA: Regulacja czasu trwania impulsu i ogniskowania wiązki jest wykonywana przez naukowców na linii badawczej CXI. Rozmiar nieskupionej wiązki przed optyką KB wynosił około 800 x 800μm2, po skupieniu rozmiar wiązki uzyskany w ognisku wynosił około 300 x 300 nm2 FWHM, jak określono za pomocą mikroskopii optycznej kraterów powstałych wiązką XFEL w kryształach YAG. - Zamów próbkę - odległość detektora (odległość Z) 79 mm (Rysunek 1c).
4. Nagraj ciemne pole
- Ustaw parametry zapisu danych w panelu sterowania DAQ (Data Acquisition)12: wiązka (wyłączona), liczba zdarzeń (500), urządzenie rejestrujące zdarzenia (Cornell-SLAC Pixel Array Detector - CSPAD13).
- Naciśnij "Record Run", gdy będziesz gotowy, aby nagrać zestaw danych obrazów migawki.
UWAGA: Zestaw danych wszystkich zarejestrowanych zdarzeń nazywa się "przebiegiem" i jest zapisywany w folderze . Format pliku XTC.
5. Zarejestruj 10% incydent XFEL Flux Run
- Poproś o umieszczenie odpowiedniej grubości aluminiowego tłumika za próbką i bezpośrednio przed detektorem Cornell-SLAC Pixel Array Detector (CSPAD)13 w celu ochrony go przed uszkodzeniem.
- Poproś o umieszczenie tłumików krzemowych przed próbką o grubości obliczonej tak, aby tłumić 90% padającego promieniowania rentgenowskiego padającego na próbkę. Należy pamiętać, że strumień impulsów jest szacowany na podstawie monitora prądu wiązki. Fluencja w próbce oszacowano na 8,3 x10 17 fotonów/mm2/impuls.
- Zamontować uchwyt na próbkę zawierającą próbkę C60 w komorze próżniowej CXI.
- Poproś naukowców z linii badawczej o wykonanie procedury pompy próżniowej dla komory próbki do momentu osiągnięcia próżni. Osiągnięcie 10-7 Torów w temperaturze pokojowej zajmuje około 30 minut.
- Ustaw parametry zapisu danych w centrali DAQ: wiązka (włączona), zdarzenia (1500), urządzenie rejestrujące zdarzenia (CSPAD).
- Kliknij przycisk "Skanuj" w sekcji konfiguracji okna DAQ GUI.
- Podaj parametry naukowcom linii badawczej, aby ustawić procedurę skanowania rastrowego dla przebiegu. Należą do nich pozycja początkowa (lewy górny róg) i pozycja końcowa (prawy dolny róg) okna jednej komórki uchwytu próbki, rozmiary kroków (600 μm) oraz kierunek ruchu skanowania (w osi x). Korzystając z tych parametrów, jedno okno komórki (pokazane w Rysunek 1 a) pozwala na dwadzieścia skanów w kierunku x w trzech rzędach okna komórki.
- Naciśnij "Zastosuj", gdy zostaną wprowadzone prawidłowe wartości.
- Poproś naukowców linii badawczej o ustawienie częstotliwości powtarzania impulsów na 1 Hz. Uwaga: Dostępna częstotliwość powtarzania impulsów w LCLS wynosi 120 Hz, jednak w trybie skanowania stałego celu14, wymagana jest niższa częstotliwość powtarzania impulsów, aby uniknąć możliwości pomiaru próbki, która została już uszkodzona przez poprzedni strzał. UWAGA: Interakcja XFEL z aluminiową ramą próbki stwarza ryzyko nasycenia i uszkodzenia CSPAD, dlatego należy zachować ostrożność, aby uniknąć ramy.
- Naciśnij "Record Run", aby nagrać zestaw danych dyfrakcji proszkowej XFEL snapshot .
- Korzystając ze środowiska obliczeniowego dostępnego pod adresem LCLS12, przejdź do katalogu plików, w którym dane są zapisywane, w oknie terminala.
- Wpisz polecenie "xtcexplorer /filepath/filename", aby otworzyć graficzny interfejs użytkownika eksploratora plików XTC i wyświetlić obrazy zarejestrowane w przebiegu.
- Sprawdź obrazy pod kątem możliwego nasycenia detektora, które zwykle występuje przy około 1 4000 ADUs13. Jeśli detektor wykazuje jakiekolwiek oznaki nasycenia, należy zwiększyć tłumienie aluminium w detektorze. Jeśli tak się stanie, poproś o więcej warstw aluminiowego tłumika w detektorze i powtórz kroki 5.6 - 5.12 z ustawionym skanowaniem rastrowym dla następnego okna komórki uchwytu próbki. Do stworzenia tego zestawu danych wykorzystano warstwę aluminium o grubości 100 μm, pokrywającą cztery środkowe moduły CSPAD.
6. Nagraj 100 % przebieg strumienia XFEL
- Poproś o wstawienie grubego aluminiowego tłumika (1 000 μm) na cztery środkowe moduły CSPAD i cieńszego tłumika o grubości 100 μm na zewnętrznych czterech modułach.
- Poproś o usunięcie tłumików silikonowych, aby 100% dostępnego strumienia promieniowania rentgenowskiego mogło trafić do próbki. Szczytowy nietłumiony strumień padającego piku oszacowano na 7,5 × 1011 fotonów / impuls (co daje fluencję około 8,3 x 1018 fotonów / mm2 / impuls w próbce).
- Powtórz kroki 5.5 - 5.12, aby zarejestrować zestaw danych dyfrakcyjnych w nowym oknie komórki uchwytu próbki.
- Powtórz krok 5.13, aby monitorować stan nasycenia detektora i określić, czy wystarczająca ilość pierścieni dyfrakcyjnych proszku Bragga lub plamek Bragga (do krawędzi detektora) jest widoczna i dobrze zdefiniowana.
7. Przetwarzanie końcowe danych XFEL i analiza szczytów
- Pobierz plik kalibracyjny (lub ścieżkę do pliku) z linii badawczej scientists.
UWAGA: Dane CSPAD w zestawie danych są dostarczane jako poszczególne panele detektorów pogrupowane według numeru zdarzenia (odpowiadającego jednej migawce klatki obrazu). Plik kalibracyjny jest potrzebny do montażu paneli detektorów w odpowiednich pozycjach względnych, aby uzyskać zrekonstruowaną ramkę obrazu odpowiadającą całemu detektorowi. - Wyodrębnij ramki ciemnego pola (przykład pokazany w Rysunek 2a) z zestawu danych uruchamiania darkfield przy użyciu języka skryptowego Python i stosując plik kalibracji. Uwaga: oprogramowanie i ustalony potok przetwarzania danych dla eksperymentu z seryjną krystalografią femtosekundową w XFELS, które nie były dostępne w czasie tego eksperymentu, są teraz dostępne15,16.
- Zsumuj klatki ciemnego pola i wygeneruj średni obraz w ciemnym polu. Zapisz to jako ciemne pole.
- Wyodrębnij obrazy ramki dyfrakcyjnej z zestawów danych przebiegu dyfrakcji (przykładowy kwadrant jest pokazany w Rysunek 2b) i zastosuj odejmowanie ciemnego pola. Rzadkość sygnału wytwarzanego w poszczególnych klatkach (po korekcji ciemnego pola i tła) pokazano w Rysunek 2c.
- Zsumuj obrazy dyfrakcyjne z korekcją ciemnego pola, aby uzyskać ostateczny obraz dyfrakcji proszkowej 2D (Rysunek 2d).
- Załaduj obraz dyfrakcji proszkowej jako plik wejściowy w FIT2D17 (program do redukcji danych GUI).
- Wprowadź wymiary obrazu (x-length i y-length jako 1,800 pikseli) i wybierz 'POWDER DIFFRACTION (2D)) '.
- Kliknij "Środek wiązki", aby zlokalizować środek pierścieni dyfrakcyjnych. Wybierz cztery punkty na najbardziej wewnętrznym pierścieniu dyfrakcyjnym (w przybliżeniu równomiernie rozmieszczone). Naciśnij "KONTYNUUJ", aby określić środek układu wzoru dyfrakcyjnego.
- Kliknij "Integruj", aby wykonać całkowanie azymutalne obrazu dyfrakcyjnego.
- Wprowadź parametry geometrii: rozmiar piksela (110 mikronów), odległość próbka-detektor (79 mm), długość fali (1,24 angstrema) i naciśnij przycisk kontynuuj, aby wygenerować wzór dyfrakcji proszku 1D.
- Wyeksportuj wzór dyfrakcji proszku jako plik .chi, aby utworzyć tablicę wartości kąta rozproszenia (2θ) w funkcji intensywności.
- Określić tło reprezentowane przez rozproszenie z podłoża poliamidowego na próbce za pomocą odpowiedniego oprogramowania. Uwaga: Autorzy w tym eksperymencie użyli PowderX18 i RIETAN19 do odjęcia tła od wzoru dyfrakcji proszku 1D.
- Wykonaj kroki od 7.1 do 7.9 dla przebiegów zestawu danych zarejestrowanych dla różnych intensywności XFEL.
- Wybierz najwyższą wartość intensywności spośród trzech profili dyfrakcji proszku.
- Znormalizuj wszystkie profile do najbardziej intensywnego szczytu we wzorcu – szczytu (111).
- Wykreślić wzorce dyfrakcji rentgenowskiej proszku 1D uzyskane z australijskiego synchrotronu (opisane w sekcji 2 Protokołu), przypadek 100% strumienia i przypadek 10% strumienia na tych samych osiach za pomocą ogólnego oprogramowania do kreślenia (Rysunek 3 a-c).
- Opcjonalny krok: Scharakteryzuj konstrukcję, wykonując dodatkowe metody analizy według własnego wyboru. Analiza danych krystalograficznych z tego eksperymentu została przeprowadzona przy użyciu programu RIETAN-2000 (zawierającego podzieloną funkcję pseudo-Voigta Toraya20,21 jako funkcję profilu) do analizy odbić Bragga. Analiza maksymalnej entropii została przeprowadzona przy użyciu oprogramowania PRIMA22 w celu potwierdzenia, że struktura odnosząca się do 10% intensywności XFEL i australijskich zestawów danych synchrotronowych pasuje do opublikowanej struktury dla temperatury pokojowej FCC C60.
Wyniki
Dyfrakcja proszków XFEL
Dane przedstawione dla dyfrakcji proszkowej XFEL przy 100% strumieniu padającym są wynikiem zsumowania ponad 1000 pomiarów pojedynczych impulsów (single-shot), co pozwoliło na uzyskanie pełnego pierścienia proszkowego z rozdzielczością lepszą niż 2 Å.
Porównanie profili dyfrakcji proszkowej
Maksima Bragga dla pierścieni dyfrakcyjnych zostały zidentyfikowane i przeskalowane względem pierwszego (najintensywniejszego) refleksu (111). Rysunek 3 przedstawia trzy różne profile linii dyfrakcyjnych. Porównując profile linii trzech dyfraktogramów, zauważamy, że dane dyfrakcyjne zarejestrowane w Australian Synchrotron są niemal identyczne z profilem Bragga widocznym w danych XFEL przy 10% mocy. Obserwuje się jedynie niewielkie różnice w względnych wysokościach maksimów Bragga, natomiast nie w ich pozycjach. W wyraźnym kontraście profil danych dyfrakcji proszkowej XFEL przy 100% mocy ujawnia obecność dodatkowych pików, których nie widać w profilu danych XFEL 10% ani w profilu danych z synchrotronu. Położenia tych dodatkowych refleksów zostały określone w Tabeli 1. W celu interpretacji tych różnic opracowano korektę modelu spodziewanej dyfrakcji z kryształu C60 w strukturze FCC w temperaturze pokojowej.
Modelowanie dyfrakcji rentgenowskiej struktury FCC C60 w temperaturze pokojowej
Intensywność pików dyfrakcji proszkowej związanych z odbiciami Bragga z kryształu jest określona wzorem
(1),
gdzie 
to wektor rozproszenia, K to współczynnik skali, 
to współczynnik krotności, Lp to czynnik Lorentza-polaryzacji, W() to funkcja profilu piku, a M to liczba cząsteczek C60 znajdujących się w objętości rozproszenia zlokalizowanych w pozycjach rm. Molekularny czynnik kształtu (MFF), 
, dla cząsteczki C60 jest dany wzorem
(2),
gdzie rj to pozycja jtego atomu węgla w cząsteczce, a fc to atomowy czynnik rozpraszania atomu węgla.
Parametry komórki elementarnej kryształu określają pozycje dozwolonych refleksów dla dyfraktogramu proszkowego z promieniowaniem rentgenowskim. Wykorzystując znane parametry FCC w temperaturze pokojowej (długość komórki elementarnej, pozycje cząsteczek w obrębie komórki elementarnej) dla C60, wraz z geometrią eksperymentalną w doświadczeniu dyfrakcyjnym, oczekiwane pozycje pików (refleksów Bragga) można obliczyć, stosując MFF dla C60 oraz równanie 1 i równanie 2.
Modelowanie dyfrakcji rentgenowskiej na podstawie 100% danych XFEL
Przyjmujemy na wstępie, że w ciągu 32 fs trwania impulsu padającego nie dochodzi do znaczących zniekształceń/transformacji ani przesunięć jąder z ich idealnych pozycji, co sugerowały wcześniejsze badania23,24. Zamiast tego, znacząca zmiana intensywności obserwowana w danych XFEL 100% musi wynikać z ruchów struktury elektronowej cząsteczek C60. Poniżej opisujemy model, który odtwarza cechy eksperymentalne danych dyfrakcyjnych XFEL 100% poprzez modyfikację centrosymetrycznego rozkładu cząsteczek C60.
W swoim normalnym, obojętnym stanie struktura krystaliczna C60 jest utrzymywana przez siły dipolowe indukowane przez chwilowe fluktuacje gęstości elektronowej. Jednak w opisanych tutaj warunkach eksperymentalnych jonizacja układu generuje silne wewnętrzne pole elektryczne, które indukuje momenty dipolowe w cząsteczkach poprzez polaryzację. Wcześniej powstawanie dipoli w C60 obserwowano jedynie w pojedynczych cząsteczkach i małych klastrach przy użyciu technik optycznych, takich jak spektroskopia UV25. Tutaj jednak zaobserwowana redystrybucja gęstości elektronowej jest ewidentnie zarówno dalekozasięgowa, jak i długotrwała w stosunku do czasu trwania impulsu XFEL, tak że jej efekty są widoczne w krystalograficznym wzorze dyfrakcji rentgenowskiej.
Prowadzi to do wyrównania sąsiednich dipoli poprzez oddziaływanie Coulomba oraz rozsprzężenia struktury elektronowej od podstawowej struktury jądrowej w skalach czasowych rzędu 10 fs. To naładowane wyrównanie wpływa na wynikową symetrię cząsteczki C60 (patrz Rysunek 4). Utrata symetrii sferycznej cząsteczki prowadzi do dodatkowego wkładu fazowego do amplitudy rozpraszania, ponieważ MFF cząsteczek C60 nie są już funkcjami rzeczywistymi, lecz zespolonymi.
Do modelowania wystąpienia asymetrycznego rozkładu ładunku cząsteczkowego, w którym rozkład gęstości elektronowej, wykorzystano okresowo zmienne MFF. mth cząsteczka jest przesunięta względem swojego położenia w strukturze krystalicznej. Przy tej modyfikacji C60 W przypadku MFF udało nam się odtworzyć profil intensywności zaobserwowany w danych uzyskanych w 100% przy użyciu XFEL.
Równanie 2 stanowi podstawę do sformułowania wyrażenia na czynnik rozpraszania, który uwzględnia dalekosiężne korelacje elektronowe powstałe z dipoli indukowanych przez XFEL w danych dla 100% XFEL. Na tej podstawie można skonstruować nową funkcję MFF, zmodyfikowaną w celu uwzględnienia spolaryzowanych cząsteczek C60:
(3),
gdzie 
to MFF idealnych cząsteczek C60 (podane w Równ. 2), a 
definiuje wektor polaryzacji dipola indukowanego przez XFEL. W granicy 
, Równ. 3 przybliża Równ. 2 i odzyskiwane są dane dyfrakcyjne dla mocy 10% w temperaturze pokojowej. Wraz ze wzrostem 
symetria cząsteczki ulega zmianie, a stosunki wszystkich możliwych maksimów dyfrakcyjnych zaczynają się różnić. Rzeczywisty rozkład spolaryzowanych cząsteczek w sieci sześciennej wpływa na wynikowy obraz dyfrakcyjny.
Gdy 
, symetria cząsteczki C60 ulega zmianie, a stosunki wszystkich możliwych maksimów dyfrakcyjnych zaczynają się różnić w stosunku do wzoru dyfrakcyjnego przy niskiej mocy. Aby dopasować dane do tego modelu, zbadano wartości 
, co wykazało dobrą zgodność w zakresie kątów rozproszenia 20° ≤ 2θ ≤ 30° dla 
.
Celem niniejszego eksperymentu było zmierzenie stopnia, w jakim stochastyczna fotojonizacja powłoki K w atomach węgla wpływa na natężenia dyfrakcyjne mierzone dla nanokryształów C60 o strukturze FCC. Fotojonizacja elektronów powłoki K w atomach węgla (energia wiązania elektronu = 284 eV) modyfikuje atomowe czynniki rozpraszania, fc, co objawia się jako zmniejszona amplituda rozpraszania w obszarach wysokiego rozpraszania. Powstawanie dziur w powłoce K w atomach węgla w cząsteczkach C60 ułożonych w sieci krystalicznej powoduje modyfikacje amplitud rozpraszania refleksów Bragga.
Oczekiwaliśmy zaobserwowania rosnącego tła izotropowego, zależnego od strumienia fotonów przyłożonego do próbek nanokryształów w proszku, zgodnie z następującymi podstawowymi założeniami: 1) że fotojonizacja powłoki K w węglu jest dominującym procesem w oddziaływaniu próbki z XFEL, 2) że fotojonizacja poszczególnych atomów węgla nie jest skorelowana z żadnymi innymi atomami w krysztale, 3) że fotojonizowane elektrony pozostają zdelokalizowane przez czas trwania impulsu, a co za tym idzie, przyczyniają się do ciągłego sygnału tła.
W eksperymencie zaobserwowaliśmy obecność silnych, zakazanych refleksów w nanokryształach C60 o strukturze FCC w temperaturze pokojowej, gdy próbka była poddana impulsom XFEL o mocy 100%. Zdelokalizowane, losowe zdarzenia jonizacji nie mogą wyjaśnić zaobserwowanych zakazanych refleksów.
Rycina 3 przedstawia pojawienie się tych refleksów zabronionych, co zbiega się ze znacznym spadkiem intensywności dozwolonych refleksów FCC. Zmian tych nie można opisać za pomocą żadnego konkretnego uporządkowania orientacyjnego idealnych cząsteczek C60 w sieci krystalicznej.
Zgodnie z naszą analizą1, skorelowany, niecentrosymetryczny rozkład ładunku na każdej cząsteczce C60 (rów. 4) okazał się jedynym sposobem wygenerowania modelowego profilu dyfrakcji proszkowej, który odpowiada danym eksperymentalnym (widocznym na Rysunku 5). Dla porównania, wszystkie dane i modele zostały przedstawione razem, lecz z przesunięciem pionowym względem siebie, na tej samej osi na Rysunku 6.
Rycina 1. Układ i geometria próbki do dyfrakcji proszkowej XFEL
(a) Uchwyt próbki stosowany w trybie skanowania stałego celu dla proszku krystalicznego C60. Ramka próbki jest wykonana z aluminium. Wskazane pomiary podano w mm. Przybliżone wymiary komórek próbki wynoszą 2 mm x 12 mm. (b) Fotografia proszku krystalicznego C60 naniesionego do trzech komórek (widocznych jako komórki o ciemnym kolorze) z zastosowaniem podłoża z poliimidu jako wsparcia (żółta folia na górze uchwytu próbki). (c) Schemat eksperymentu z C60. Próbka jest skanowana rastrowo w kierunkach x-y w schemacie obrazowania typu snapshot. Lustra K-B skupiają wiązkę XFEL do rozmiaru plamki 300 nm x 300 nm na próbce. Próbki są utrzymywane w próżni w celu stabilizacji warunków próbki i zminimalizowania możliwości oddziaływania promieni rentgenowskich ze źródłami rozpraszania innymi niż próbka. Przychodzące impulsy XFEL uderzają w proszek krystaliczny umieszczony w komórkach uchwytu próbki, a wzór dyfrakcyjny jest rejestrowany przez detektor CSPAD. Rozdzielczość 1.5 Å jest osiągana poprzez ustawienie odległości od próbki do detektora na 79 mm. Kliknij tutaj, aby wyświetlić powiększoną wersję tej ryciny.
Rycina 2. Układ CSPAD
Należy zwrócić uwagę, że biały pasek skali na obrazach a), b) i d) reprezentuje 40 mm.
(a) Darkfield CSPAD. Detektor składa się z 32 prostokątnych modułów, których położenie można zmieniać, przesuwając je koncentrycznie na zewnątrz w celu rejestracji dyfrakcji pod wysokimi kątami, jeśli jest to wymagane. (b) Zsumowane surowe klatki danych (prawy górny kwadrant, zsumowano ponad 1000 klatek) przed korekcją tła i darkfield. (c) Pojedyncze migawki dyfrakcyjne wykazujące rzadkość sygnału dyfrakcyjnego. (d) Profil dyfrakcyjny pokazujący wyraźnie zdefiniowane pierścienie dyfrakcji proszkowej, uzyskany poprzez zsumowanie 1500 klatek dyfrakcyjnych z zastosowaniem odejmowania sygnału tła z poszczególnych klatek.
Rycina 3. Dane dyfrakcji proszkowej
(a) Dyfraktogramy uśrednione azymutalnie dla zbioru danych 10% XFEL, zbioru danych 100% XFEL oraz zbioru danych synchrotronowych. Pozycje refleksów Bragga FCC są zaznaczone zgodnie ze strukturą FCC C60 w temperaturze pokojowej. (b) Powiększony obszar pokazujący refleksy występujące w strukturze 100% FCC w zakresie kątów rozproszenia 10⁰ ≤ 2θ ≤ 13⁰, których nie obserwuje się w dwóch pozostałych profilach. (c) Powiększony obszar pokazujący inny profil piku w danych 100% XFEL w zakresie kątów rozproszenia 20⁰ ≤ 2θ ≤ 28⁰. Zarówno dane 10% XFEL, jak i dane synchrotronowe spełniają reguły wyboru dla struktur FCC składających się z cząsteczek centrosymetrycznych elektronicznie. Jednakże obecność dodatkowych piki (refleksów) widocznych w danych 100% XFEL narusza te reguły wyboru. Kliknij tutaj, aby wyświetlić większą wersję tej ryciny.
![Schemat struktury sieci krystalicznej, układ atomów, kierunek [111], odstęp 0,7 Å.](/files/ftp_upload/56296/56296fig4.jpg "figure-results-19")
Rysunek 4. Przejściowe zniekształcenie C60
Wizualizacja ustawienia dipoli w strukturze sieci FCC podczas skorelowanego elektronowego etapu przejściowego. C60 są przedstawione jako niebieskie sfery, a czerwone końcówki reprezentują kierunek uporządkowanych dipoli.
Rysunek 5. Model dyfrakcji proszkowej
Profil dyfrakcji proszkowej wygenerowany poprzez modelowanie struktury FCC dla C60 (z wykorzystaniem równań 1 i 2) w porównaniu z modelem struktury C60 FCC poddanym impulsowi XFEL o 100% intensywności (z wykorzystaniem równań 1 i 3). Zidentyfikowane piki Bragga są oznakowane. Obszar zainteresowania (20° ≤ 2θ ≤ 30°) został wyróżniony linią przerywaną. Choć model FCC dobrze opisuje intensywność dozwolonych odbić, nie wyjaśnia on obecności szeregu dodatkowych pików (patrz Rysunek 2a i b) obserwowanych dla danych XFEL o 100% intensywności. Wynika to z faktu, że proste przesunięcie klastra molekularnego (Rysunek 3) wzdłuż osi krystalograficznej sieci sześciennej daje niepełny obraz uporządkowania orientacyjnego spolaryzowanych cząsteczek C60 w sieci sześciennej. W przeciwieństwie do niego model XFEL 100%, który uwzględnia indukowane jonizacją wyrównanie dipoli w sieci FCC (jak pokazano na Rysunku 4), odtwarza wszystkie dodatkowe piki zaobserwowane w danych XFEL o 100% intensywności. Kliknij tutaj, aby wyświetlić powiększoną wersję tego rysunku.
Rysunek 6. Porównanie profilu proszkowego modelu i danych
Jakościowe porównanie profilów linii dla trzech obrazów dyfrakcyjnych zarejestrowanych eksperymentalnie w różnych warunkach naświetlania. Dodatkowo przedstawiono profile linii obliczone zgodnie z równaniami 2 i 3 przy użyciu naszego modelu. Wyraźnie widać, że po wprowadzeniu okresowo zmodyfikowanego MFF profil linii modelu 100% XFEL jest zgodny z naszymi danymi 100% XFEL.
| Zmierzone kąty rozpraszania dodatkowych refleksów (deg.) | Obliczone kąty rozpraszania dodatkowych refleksów (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. Refleksy Bragga zaobserwowane w danych XFEL
Zbiór refleksów Bragga zmierzonych w zakresie 20⁰ ≤ 2θ ≤ 30⁰ dla 100% danych dyfrakcyjnych XFEL, a także wartości obliczone zgodnie z równaniami 1 - 4.
| Położenie cząsteczki | Dopasowanie |
| (0,0,0) | ![Symbol kierunku krystalograficznego δr‖[111], koncepcja orientacji sieci w inżynierii materiałowej.](/files/ftp_upload/56296/56296table2_1.jpg "figure-results-22") |
| (0.5,0.5,0) | |
| (0.5,0,0.5) | ![Notacja wektorowa w fizyce kryształów z wektorem δr równoległym do [111], zawierająca symbol wektora kierunkowego.](/files/ftp_upload/56296/56296table2_2.jpg "figure-results-24") |
| (0,0.5,0.5) | |
Tabela 2. Wyśrodkowanie molekularne FCC podczas przejściowej fazy skorelowanej
Tabela ta opisuje uporządkowanie spolaryzowanych cząsteczek C60 podczas przejściowej fazy skorelowanej kryształu występującej w trakcie impulsu XFEL.
Dyskusja
Kalibracja ramek danych dyfrakcyjnych.
Ten. Pliki XTC (które zawierają dane z całego przebiegu) zawierają parametry kalibracji, które definiują geometryczny układ modułów CSPAD (pokazanych na rysunku 2a) podczas eksperymentu. Prawidłowe ułożenie danych zapisanych na poszczególnych modułach ma kluczowe znaczenie dla złożenia indywidualnych obrazów danych dyfrakcyjnych składających się z danych zarejestrowanych w każdym przebiegu. W momencie przeprowadzania eksperymentu lokalizacja pliku kalibracyjnego zawierającego prawidłowe parametry nie została automatycznie skonfigurowana, a zespół musiał przeprowadzić ręczne obliczenia w celu rozwiązania problemu. Ze względu na dodatkowy czas poświęcony na kalibrację danych, wystąpiło opóźnienie czasowe między ustawieniem zestawu danych przebiegu migawki a sprawdzeniem powodzenia przebiegu za pomocą ciemnego pola i odjętego tła sumowania klatek obrazu w zestawie danych.
Rozmiary kryształów.
W niektórych początkowych seriach migawek XFEL w niektórych klatkach obrazu zaobserwowano silne odbicia pojedynczych kryształów Bragga. Wynikało to z faktu, że część próbki C60 nie została wystarczająco drobno rozdrobniona. Obserwując odbicia optyczne od rozdrobnionego proszku wskazuje, że fasety kryształu są zbyt duże (odpowiadają długości fali światła widzialnego ~ 400-700 nm). Proszek powinien być sprawdzony pod kątem tych odbić na etapie kruszenia, a jeśli w danych widoczne są silne, monokryształowe odbicia Bragga, proszek musi być dalej kruszony.
Ponieważ wyniki tego eksperymentu nie były oczekiwane ani planowane dla powodzenia, dane dotyczące dyfrakcji proszkowej uzyskano tylko przy dwóch ekstremalnych ustawieniach intensywności (10% i 100% strumienia). Czas wiązki w zakładzie jest ograniczony, a zatem wszelkie błędy i problemy związane z ustawianiem, obliczeniami lub przetwarzaniem próbek mają duży wpływ na plan eksperymentalny. Dwa najbardziej oddalone od siebie punkty intensywności incydentu zostały potraktowane priorytetowo i nie było wystarczająco dużo czasu na zebranie wiarygodnych statystyk dla jakichkolwiek punktów pośrednich. W związku z tym nie byliśmy w stanie eksperymentalnie ocenić punktu spustowego pod względem strumienia XFEL, w którym następuje ta przejściowa zmiana fazy.
Badania wstępne.
Zbieranie danych dyfrakcji proszkowej w australijskim synchrotronie z tej samej próbki C60 , która została zmierzona przez XFEL. Synchrotrony są rutynowo wykorzystywane do badań przesiewowych w poszukiwaniu odpowiednich celów XFEL26 i w tym przypadku pozytywnie potwierdziły, że przy intensywności 10% XFEL dane dyfrakcyjne były zgodne ze strukturą FCC stanu podstawowego C60.
Tłumienie próbki i detektora.
Kalibracja strumienia padającego poprzez regulację tłumików krzemowych przed próbką była niezbędna, zwłaszcza że badany efekt był zależny od intensywności. Kluczowe znaczenie miała również konstrukcja odpowiedniego aluminiowego tłumika przy detektorze, dopasowanego do strumienia padającego.
Uderzenie w próbkę w miejscu ogniska wiązki.
Lokalizacja ogniska KB w XFEL była również niezbędna do obserwacji zgłoszonego zjawiska, ponieważ gęstość strumienia na próbce musi być wystarczająca do wywołania tworzenia się dipoli w całym krysztale. Pomiar wielkości kraterów utworzonych przez wiązkę XFEL w krysztale YAG za pomocą mikroskopii optycznej, a także wykonanie dokładnego skanu próbki wzdłuż osi optycznej i przyjrzenie się intensywności dyfrakcji wykorzystano do określenia położenia płaszczyzny ogniskowej.
W przyszłych wdrożeniach tych prac zbadana zostanie większa liczba intensywności incydentów, a także czas trwania impulsów. Praca ta może mieć potencjalne implikacje dla nadchodzących eksperymentów analizujących dane dyfrakcyjne zebrane z nanokryształów w źródłach XFEL. Dostarcza również nowych informacji na temat fundamentalnych oddziaływań XFEL z materią, podkreślając, że XFEL mają potencjał do badania nowej fizyki, która nie jest uwzględniona w konwencjonalnej krystalografii.
Oświadczenia
Autorzy nie mają nic do ujawnienia.
Podziękowania
Autorzy dziękują za wsparcie Centrum Doskonałości w Zaawansowanym Obrazowaniu Molekularnym Australijskiej Rady ds. Badań. Część tych badań została przeprowadzona w LCLS, krajowym ośrodku użytkowanym przez Uniwersytet Stanforda w imieniu Biura Podstawowych Nauk Energetycznych Departamentu Energii Stanów Zjednoczonych. Wyrażamy wdzięczność za finansowanie podróży w ramach Międzynarodowego Programu Dostępu do Synchrotronu zarządzanego przez AS i rząd Australii. Ponadto niektóre z tych badań zostały przeprowadzone na liniach badawczych MX1 i MX2 w AS, Victoria, Australia. Wkład autora: B.A. był odpowiedzialny za planowanie i zarządzanie wszystkimi eksperymentalnymi aspektami projektu. Eksperymenty zostały zaprojektowane przez B.A., R.A.D., V.S., C.D. i G.J.W. B.A., H.M.Q., K.A.N. i R.A.D. napisali oryginalną propozycję LCLS. D.W., R.A.D., R.A.R., A.V.M., E.C. i S.W. przeprowadzili prace symulacyjne. B.A., R.A.D., C.D., V.S., M.W.M.J., R.A.R., N.G., F.H., G.J.W., S.B., M.M., M.M.S., A.G.P., C.T.P., A.V.M. i K.A.N. zebrali dane eksperymentalne w LCLS. S.W., V.A.S. i R.A.D zbierały dane eksperymentalne w australijskim synchrotronie. C.T.P. i A.V.M. przeprowadziły eksperymentalną konwersję i analizę danych. B.A., C.D., N.G. i E.B. byli odpowiedzialni za projekt i testowanie uchwytu próbki. R.A.R., B.A., S.W., A.V.M i H.M.Q napisali ten rękopis. Sformułowanie uszkodzeń elektronowych w teorii koherencji jest wykonywane przez H.M.Q. i K.A.N.; R.A.D. wpadł na pomysł, aby zastosować ten formalizm do C60.
Materiały
| Nazwa | Firma | Numer katalogowy | Komentarze |
|---|---|---|---|
| Makroskopowy 99,5+ % czysty C60 | SES RESEARCH | ||
| Tłuczek i moździerz | Sigma Aldrich | używane do kruszenia proszku C60; | |
| Blacha | używana do budowy uchwytu na próbkę | ||
| kaptonowej folii poliimidowej | Du Pont | http://www.dupont.com/products-and-services/membranes-films/polyimide-films/brands/kapton-polyimide-film/ | |
| CXI linia badawcza | SLAC | http://scripts.iucr.org/cgi-bin/paper?yi5003 | |
| okulary ochronne bezpieczeństwo biologiczne | |||
| gabinet |
Bibliografia
- Abbey, B., et al. X-ray laser-induced electron dynamics observed by femtosecond diffraction from nanocrystals of Buckminsterfullerene. Sci. Adv. 2 (9), e1601186(2016).
- Chapman, H. N., et al. Femtosecond X-ray protein nanocrystallography. Nat. 470 (7332), 73-77 (2011).
- Boutet, S., et al. High-resolution protein structure determination by serial femtosecond crystallography. Science. 337 (6092), 362-364 (2012).
- Redecke, L., et al. Natively inhibited Trypanosoma brucei cathepsin B structure determined by using an X-ray laser. Sci. 339 (6116), 227-230 (2013).
- Kern, J., et al. Simultaneous femtosecond X-ray spectroscopy and diffraction of photosystem II at room temperature. Sci. 340 (6131), 491-495 (2013).
- Aquila, A., et al. Time-resolved protein nanocrystallography using an X-ray free-electron laser. Opt. Exp. 20 (3), 2706-2716 (2012).
- Nass, K., Hau-Riege, S. Radiation damage in ferredoxin microcrystals using high intensity X-FEL beams. , Lawrence Livermore National Laboratory (LLNL). Livermore, CA. (2014).
- Quiney, H. M., Nugent, K. A. Biomolecular imaging and electronic damage using X-ray free-electron lasers. Nat. Phys. 7 (2), 142-146 (2011).
- Lorenz, U., Kabachnik, N., Weckert, E., Vartanyants, I. Impact of ultrafast electronic damage in single-particle x-ray imaging experiments. Phys. Rev. E. 86 (5), 051911(2012).
- McPhillips, T. M., et al. Blu-Ice and the Distributed Control System: software for data acquisition and instrument control at macromolecular crystallography beamlines. J. Synchrotron Rad. 9, 401-406 (2002).
- Boutet, S., Williams, G. J. The coherent X-ray imaging (CXI) instrument at the Linac Coherent Light Source (LCLS). New J. of Phys. 12 (3), 035024(2010).
- LCLS Photon Control and Data Systems Documentation Page. , Available from: https://confluence.slac.stanford.edu/display/PCDS/PCDS+Home (2009).
- Hart, P., et al. The CSPAD megapixel x-ray camera at LCLS. Proc. SPIE. 8504, (2012).
- Hunter, M. S., et al. Fixed-target protein serial microcrystallography with an x-ray free electron laser. Nat. Sci. Rep. 4, 6026(2014).
- Nakane, T., et al. Data processing pipeline for serial femtosecond crystallography at SACLA. J. App. Crystallography. 49, 1035-1042 (2016).
- White, T. A., et al. Crystallographic data processing for free-electron laser sources. Acta. Cryst. 69, 1231-1240 (2013).
- Hammersley, A., et al. Two-Dimensional Detector Software: From Real Detector to Idealised Image or Two-Theta Scan. High Pressure Res. 14, 235-248 (1996).
- Dong, C. PowderX: Windows-95-based program for powder X-ray diffraction data processing. J App. Crystallography. 32 (4), 838(1999).
- Multi-Purpose Pattern Fitting System REITAN-FP. , Adv. Ceramics Research Cnt. Nagoya Institute of Technology. Available from: http://fujioizumi.verse.jp/download/download_Eng.html (2014).
- Ida, T., Ando, M., Toraya, H. Extended pseudo-Voigt function for approximating the Voigt profile. J. App. Crystallography. 33 (6), 1311-1316 (2000).
- Toraya, H. Array-type universal profile function for powder pattern fitting. Journal of Applied Crystallography. 23, 485-491 (1990).
- Takata, E. N., Sakata, M. Charge density studies utilizing powder diffraction and MEM. Exploring of high Tc superconductors, C60 superconductors and manganites. Cryst. Mat. 216 (2), (2009).
- Neutze, R., Wouts, R., van der Spoel, D., Weckert, E., Hajdu, J. Potential for biomolecular imaging with femtosecond X-ray pulses. Nat. 406 (6797), 752-757 (2000).
- Hau-Riege, S. P., London, R. A., Szoke, A. Dynamics of biological molecules irradiated by short x-ray pulses. Phys. Rev. E. 69 (5), 051906(2004).
- Petersen, J. C., et al. Clocking the Melting Transition of Charge and Lattice Order in 1T-TaS2 with Ultrafast Extreme -Ultraviolet Angle-Resolved Photoemission Spectroscopy. Phys. Rev. Let. 107 (17), 177402(2011).
- Darmanin, C., et al. Protein crystal screening and characterization for serial femtosecond nanocrystallography. Nat. Sci. Rep. 6, 25345(2016).
Przedruki i uprawnienia
