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Ahora hay una forma de resolver ese problema: un equipo dirigido por científicos del Laboratorio Nacional de Aceleradores SLAC del Departamento de Energía convirtió pequeños chorros de líquido que transportan muestras en la trayectoria de un rayo de rayos X en láminas delgadas y de flujo libre, 100 veces más delgadas que cualquiera producido antes Son tan delgados que los rayos X pasan a través de ellos sin obstáculos, por lo que las imágenes de las muestras que portan salen claras.

El nuevo método abre nuevas ventanas sobre procesos críticos en química, física y biología, incluida la naturaleza del agua en sí misma, dijeron los investigadores en un  informe del 10 de abril en  Nature Communication s . 

El método fue desarrollado en el láser de electrones libres de rayos X de SLAC, la fuente de luz coherente Linac (LCLS), pero dijeron que también puede funcionar en experimentos con fuentes de luz de sincrotrón, láseres de mesa y haces de electrones.

Una serie de películas muestra cómo los crecientes flujos de gas que dan forma a una corriente de líquido afectan la formación de láminas líquidas y su brillo parecido a una burbuja de jabón. 

"Esto abre posibilidades en muchos campos", dijo el científico del staff de SLAC,  Jake Koralek , quien dirigió la investigación con  Daniel DePonte , líder del Departamento de Medio Ambiente de Muestra de LCLS. 

"Hasta ahora, no hemos podido examinar muestras suspendidas en el agua con dos tipos de luz: rayos infrarrojos y rayos X blandos y de menor energía, que son importantes para hacer imágenes y usar la espectroscopía para estudiar procesos básicos en física. , química y biología, incluida la física del agua ", dijo Koralek. 

"La nueva boquilla que desarrollamos, que puede crear hojas fluidas de líquido de solo 100 moléculas de agua de grosor que persisten durante días en el vacío, resuelve ese problema. Las hojas se pueden usar incluso para tomar imágenes de muestras con haces de electrones que resuelvan incluso detalles más pequeños ".

Shaping Liquid con Gas 

La boquilla es un pequeño chip de vidrio con tres canales microscópicos. Una corriente de líquido fluye a través del canal medio, formado por flujos de gas que entran por los canales a cada lado. Esta boquilla en particular se hizo con fotolitografía, una técnica utilizada para fabricar chips de computadora, pero también podría diseñarse con impresión tridimensional, anotaron los investigadores. 

A medida que los científicos aumentan la velocidad del flujo de gas, la corriente líquida se extiende en una serie de hojas cuyo ancho y grosor se pueden controlar con precisión. La hoja más cercana a la boquilla es la más ancha y delgada; cuanto más se alejan de la boquilla, más estrechas y gruesas se vuelven las láminas hasta que finalmente se funden en una corriente cilíndrica.

Estas imágenes muestran la formación de pequeñas láminas de líquido en forma de chorros de gas desde una boquilla desarrollada en SLAC. Arriba: a medida que aumenta el flujo de gas, las hojas de líquido se hacen más grandes. Abajo: la boquilla produce una serie de láminas líquidas; el más cercano a la boquilla es el más ancho y delgado. Cada hoja es perpendicular a la anterior, por lo que estamos viendo la segunda y la cuarta hoja desde un lado. ( DOI: 10.1038 / s41467-018-03696-w)

Las hojas  brillan como burbujas de jabón en una variedad de colores , como resultado de la luz que se refleja tanto en la superficie frontal como en la posterior de la hoja. Y así como las líneas de contorno en un mapa topográfico marcan diferencias en la elevación, el matiz y el espaciado de las bandas de color siempre cambiantes de una hoja indican qué tan grueso es y cuánto cambia el espesor de un punto a otro. 

"Es un diseño muy flexible y confiable para crear láminas líquidas ultradelgadas y un poco más gruesas, lo que puede ser deseable para algunas aplicaciones", dijo  Linda Young , miembro distinguida del Laboratorio Nacional Argonne del DOE y profesora de la Universidad de Chicago que no participó en el estudio.

Ella dijo que usará la boquilla para hacer capas de agua ligeramente más gruesas para un estudio de LCLS sobre cómo se comportan las moléculas de agua después de que uno de sus electrones ha sido arrancado. Estas moléculas de agua ionizada persisten durante unos pocos cientos de femtosegundos, o millones de una milmillonésima de segundo, y "los rayos X proporcionan una forma completamente nueva y limpia de monitorear su respuesta electrónica en su entorno natural, por eso estamos emocionados". al respecto ", dijo Young.

Una nueva forma de estudiar formas extremas de agua 

Las láminas líquidas ya han sido utilizadas en experimentos que exploran las propiedades del agua en ambientes extremos como los de planetas gigantes, dijo el coautor  Siegfried Glenzer , profesor de SLAC y jefe de la División de Ciencia de Densidad de Alta Energía del laboratorio.

Esos experimentos se realizaron con el láser de electrones libres FLASH en el Deutsches Elektronen-Synchrotron (DESY) de Alemania. Los investigadores usaron pulsos de rayos X para calentar las láminas de líquido a miles de grados para simular la forma extremadamente cálida y densa de agua presente en los planetas gigantes como Júpiter. Luego midieron la reflectividad y la conductividad del agua súper caliente con pulsos láser ópticos en el instante antes de que el agua se vaporizara. Estas medidas solo pueden realizarse en una lámina de agua plana.

"Hay muchos misterios en esos grandes planetas y son importantes para comprender la evolución de nuestro sistema planetario y otros", dijo Glenzer. "Esta es una herramienta hermosa para estudiar el agua en sí misma, y ​​en el futuro también estudiaremos otros materiales que podamos mezclar con ella".

Un equipo de investigación SLAC en la estación experimental LCLS donde llevaron a cabo experimentos con la boquilla formadora de lámina esta semana. De izquierda a derecha: los coautores de papel Zhijiang Chen, Stefan Moeller, Siegfried Glenzer, Jake Koralek y Chandra Curry y el gerente de área Bob Sublett del Departamento de Medio Ambiente de Muestra de LCLS. (Dawn Harmer / SLAC National Accelerator Laboratory)

LCLS y Advanced Light Source son instalaciones de usuario de DOE Office of Science. Además de los investigadores de SLAC, Berkeley Lab y DESY, científicos del Instituto ELI Beamlines de Física de la Academia Checa de Ciencias, Dartmouth College, la Universidad de Alberta en Canadá y la instalación europea de rayos X de electrónica de rayos X (European XFEL ) en Alemania contribuyó a este trabajo. El financiamiento principal provino de la Oficina de Ciencia del DOE y los Institutos Nacionales de Salud, Instituto Nacional de Ciencias Médicas Generales.

Cita :  J. Koralek y otros,  Nature Communications , 10 de abril de 2018 (10.1038 / s41467-018-03696-w)

Para preguntas o comentarios, comuníquese con la Oficina de Comunicaciones de SLAC a  communications@slac.stanford.edu .

SLAC es un laboratorio multiprograma que explora cuestiones de frontera en la ciencia de los fotones, la astrofísica, la física de partículas y la investigación con aceleradores. Ubicada en Menlo Park, California, SLAC es operada por la Universidad de Stanford para la Oficina de Ciencia del Departamento de Energía de los Estados Unidos. 

SLAC National Accelerator Laboratory cuenta con el apoyo de la  Oficina de Ciencia del Departamento de Energía de EE. UU. La Oficina de Ciencias es el principal defensor de la investigación básica en ciencias físicas en los Estados Unidos, y está trabajando para abordar algunos de los desafíos más apremiantes de nuestro tiempo.