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

O objetivo geral deste experimento de difração de pó de laser de elétrons livres de raios-x é sondar a dinâmica de elétrons induzida em nanocristais de C60, por meio da interação com intensos pulsos de raios-x de femtossegundos. Este método pode ajudar a responder à questão de onde os raios-x entregues em pulsos extremamente curtos em rajadas muito intensas afetam as amostras de maneiras que se desviam da cristalografia convencional de raios-x. Embora esse método tenha sido aplicado à estrutura eletrônica translacional do C60, ele também pode ser aplicado a uma variedade de outras amostras, incluindo cristais de proteína.

Geralmente, os indivíduos novos neste método terão dificuldades, porque a ciência dos raios-x é relativamente nova. Os protocolos ainda estão sendo desenvolvidos e testados. O experimento depende da preparação correta da amostra C60.

Tenha os materiais necessários prontos em um gabinete de biossegurança. Esses materiais incluem uma fonte de cinco gramas de pó C60 e almofariz e pilão. Além disso, prepare um porta-amostras para o experimento.

Este porta-amostras de estrutura de alumínio tem 48 células de aproximadamente dois milímetros por 12 milímetros e tem uma espessura de um micrômetro. Complete o porta-amostras colando um filme adesivo de poliamida de 10 mícrons de espessura para cobrir um lado da moldura. Com o filme de poliamida no lugar, as células agora formam poços onde o pó C60

Quando o porta-amostras estiver pronto, comece a trabalhar com o C60. Transfira um pequeno lote de cerca de 100 microgramas para o almofariz, o nível do pó não deve exceder a altura da borda arredondada do pilão. Esmague o pó para produzir nanopartículas finas.

Cristais muito grandes difratam muitos raios-x durante o experimento de raios-x. Verifique se os cristais não apresentam reflexos de luz visíveis, pois isso é um sinal de que eles não foram esmagados com precisão suficiente. Use uma pequena espátula para remover o pó C60 triturado da argamassa.

Em seguida, espalhe o pó o mais finamente possível através das células do porta-amostras e sobre o suporte adesivo da película de poliamida. Repita esmagando o pó e aplicando-o nas células até que estejam todas cheias. Em seguida, obtenha um segundo filme de poliamida com adesivo que possa cobrir todo o suporte da amostra.

Aplique o lado adesivo diretamente sobre o pó no porta-amostras. Em seguida, retire o filme para criar uma monocamada uniforme no porta-amostras. Aplique novas folhas de poliamida da mesma maneira até que não saia mais pó.

Quando terminar, a monocamada C60 deve aparecer uniformemente espalhada pelas células individuais. Feche o porta-amostras em um recipiente de plástico para transporte. Este desenho fornece uma visão geral do experimento na fonte de luz coerente linac em Stanford.

A amostra é montada 79 milímetros à frente e paralela ao detector de matriz de pixels SLAC da córnea em uma câmara de experimento a 10 elevado a menos sete Torr. Um pulso de 32 femtossegundos de 10 quiloelétrons-volts com o menor tamanho de ponto focal prático é direcionado perpendicularmente à amostra. Viewo suporte de amostra no lado do feixe, programe o procedimento de varredura rasteur para iniciar no canto superior esquerdo de uma janela de célula de amostra.

Em seguida, escaneie horizontalmente em etapas de 600 micrômetros até atingir o limite da célula. Desça 600 micrômetros e digitalize da esquerda para a direita novamente. Após uma última varredura e no canto inferior direito da janela da célula de amostra.

Realize uma varredura com 90% dos raios-x incidentes atenuados em uma frequência de pulso de um hertz. Visualize as imagens para verificar a possível saturação do detector, pois neste caso, a saturação indica a necessidade de mais atenuação antes do detector. Resolva os problemas de atenuação para que não haja saturação do detector.

O experimento pode então prosseguir, usando outra célula porta-amostras. Para análise de pico, comece com um arquivo de imagem de difração de pó bidimensional. Abra o software fit2D e concorde com os termos de uso.

Na próxima tela, insira as dimensões da imagem de difração. Clique na dimensão X e defina o valor, 1.800 pixels neste experimento, em seguida, clique na dimensão Y e defina seu valor, também 1.800 pixels. Continue movendo para e clicando em OK.

Na próxima tela, selecione difração de pó 2D, passe para selecionar a entrada para carregar o arquivo. Escolha o arquivo de imagem de difração na lista. Selecione OK na próxima tela e na tela depois disso.

Em seguida, mova o cursor para escolher o centro da viga no menu. Selecione a opção de coordenadas circulares e, na barra de coordenadas concêntricas de entrada, selecione a opção de dois cliques. Agora, na imagem de difração, trabalhe no anel de difração mais interno.

Clique em um ponto no anel e, em seguida, clique no centro dessa parte do anel vista na luneta. Repita para mais três pontos no anel de difração mais interno, garantindo que os quatro pontos selecionados sejam intervalos aproximadamente iguais no anel. Quando terminar, pressione, clique aqui para finalizar para determinar o centro do padrão de difração.

Clique em integrar para executar a integração da imagem. Neste ponto, os parâmetros de geometria física do experimento são necessários. Tamanho do pixel, distância do detector de amostra e comprimento de onda do raio-x.

Quando esses valores forem inseridos, pressione continuar para gerar um padrão de difração de pó unidimensional. O software irá gerar um gráfico de intensidade versus ângulo de dispersão de dados. Vá para os itens do menu e selecione a saída nas opções de saída, escolha o gráfico de chips.

Digite um nome para o arquivo antes de salvá-lo. Depois de salvar o arquivo, feche o programa. Aqui estão dados unidimensionais de conjuntos de dados de elétrons livres de raios-x.

Um conjunto de dados de 10% de fluxo está em verde e um conjunto de dados de 100% de fluxo está em vermelho. Para comparação, há um conjunto de dados síncrotron em roxo. Quando vistos de perto, os conjuntos de dados de laser de elétrons livres de raios X de síncrotron e 10% de fluxo mostram estrutura semelhante e coincidem em grande parte.

No entanto, os dados do laser de elétrons 100% livres de raios-x mostram picos adicionais. Os dados motivam um modelo da mudança na estrutura eletrônica das moléculas de C60 devido à interação com o pulso. Nesta imagem, as esferas azuis representam as moléculas C60 e as pontas vermelhas indicam a direção dos dipolos de ordem.

Os momentos de dipolo elétrico induzem a um alinhamento de dipolos vizinhos e, finalmente, a contribuições adicionais da face para a amplitude de espalhamento. Aqui estão os dados e a saída de modelos em uma variedade de ângulos de espalhamento em que os dados do laser de elétrons livres de raios x = 100% de fluxo mostram picos adicionais. Novamente, os dados síncrotron e os dados de fluxo de 10% concordam e são consistentes com o modelo FCC.

Os dados do laser de elétrons livres de raios-x de 100% de fluxo diferem desses, mas são reproduzidos com precisão pelo modelo criado para explicá-los. Uma vez dominada, essa técnica pode levar aproximadamente 12 horas em um único turno da LCIF. Isso inclui tudo, desde a preparação da amostra até o teste da atenuação do detector e o posicionamento da amostra para dois fluxos de raios X diferentes.

Ao tentar este procedimento, é importante verificar as saturações do detector em todas as execuções experimentais. Certifique-se de visualizar as imagens detectadas em tempo real e interromper o experimento se houver saturação no detector. Após este procedimento, outros métodos, como espectroscopia de massa, podem ser realizados nas amostras irradiadas.

No entanto, as amostras geralmente são obliteradas durante as execuções de raios-x. Após seu desenvolvimento, essa técnica abriu caminho para a ciência dos raios-x. Observar e estudar os efeitos de fontes de luz intensas de raios-x em amostras de cristal e, em seguida, usar os princípios da cristalografia de raios-x para entender isso.

Não se esqueça de que trabalhar com nanomateriais pode ser extremamente perigoso, ao preparar suas amostras C60, certifique-se de usar capuzes fumigados e um gabinete de biossegurança.