克里斯蒂娜·努内斯，阿尔贡国家实验室 强烈的X射线脉冲散射蔗糖簇(红色、白色和灰色球体分别是氧、碳和氢原子)，导致电子喷射(蓝色球体)和结构变形
信用:史黛西黄 利用实验和计算数据的结合，研究人员发现了优化高强度x光束脉冲的途径
科学家们长期以来一直追求以原子分辨率观察单个自由形式分子结构的能力，这被许多人称为成像的“圣杯”
一种可能的方法是将极短、高强度的x光自由电子激光(XFEL)脉冲对准样品材料
但是这种超快成像技术也摧毁了它的目标，所以时间是关键
美国大学的研究人员
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美国能源部阿贡国家实验室正结合实验和计算机模拟推进这项工作，希望了解XFEL脉冲如何与目标相互作用
最近，由阿尔贡的化学科学与工程部门的原子分子光学物理小组领导的一个小组指出了一个重要的经常被设计的参数，它可以影响实验结果:时间
他们的论文“瞬时共振对单个蔗糖纳米团簇超快成像的作用”最近发表在《自然通讯》杂志上
例如，在原子尺度上检查三维结构的能力有助于我们更好地理解病毒，并更有效地向人体输送药物
今天，这种分析需要把要研究的材料放在晶体中
生物粒子以这种非天然的形式被固定，因此当x光照射到它们时，光束会散射，产生一种可以用来理解分子结构的衍射图案
但是许多类型的生物系统不能很好地结晶，并且晶体可能太小而不能产生良好的衍射图案
或者结晶可能改变结构，阻止观察处于自然状态的粒子的能力
要在不使物质结晶的情况下产生散射图案，需要像XFEL一样的监督光束，以令人难以置信的快速爆发方式闪烁
“对于这种类型的实验，你需要非常强的脉冲，这可能会很快破坏样本，”阿尔贡物理学家Phay Ho说，他是这篇论文的合著者
“采用这种方法，你需要使用非常短的脉冲，这样你就可以在样品被破坏之前收集所有的散射信号
" 这场与时间的竞赛以飞秒为单位，其中一秒相当于十亿分之一秒的百万分之一
为了研究不同的参数如何影响XFEL实验的结果，跨学科的研究小组使用直线加速器相干光源(LCLS)研究了蔗糖的单个纳米团簇，直线加速器相干光源是斯坦福大学直线加速器国家实验室的XFEL
阿尔贡杰出研究员和论文合著者琳达·杨说:“你在基于储存环的光源(如阿尔贡的高级光子源)上观察到的晶体，与XFEL的相比，通常只有10微米左右。”
“我们在这项研究中看到的结构至少要小200倍——纳米大小
" 研究人员随后将实验数据与阿尔贡领导计算设施(ALCF)的超级计算机米拉运行的计算进行了比较
这包括一个大规模的分子模拟集合，追踪4200万个与XFEL脉冲相互作用的粒子——这是超级计算机的工作
“当你有一台像米拉这样的机器时，你可以运行大量的模拟，你可以同时运行它们，你可以在我们进行这项特殊研究所需的时间范围内运行它们，”克里斯托弗·奈特说，他是ALCF和阿尔贡计算科学部门的计算科学家，也是这篇论文的合著者
研究发现，当谈到蔗糖XFEL脉冲，越短越好
希望放大成像结果的科学家可能使用200飞秒的脉冲长度
但事实证明，十亿分之一秒的2亿分之一可能太慢了
“如果你使用这么长的脉冲，你实际上可以大大降低你的信号，”何说
“为了进行这种成像，脉冲应该只持续几飞秒
重要的是不仅要看光子的数量，还要看单位时间内光子的数量
" 计算机建模将帮助研究人员优化未来的实验，瞄准能产生最佳结果的参数
“获得做这些实验的光束时间并不容易，”何说
“这些数据将非常有助于确定下一步尝试的最佳脉冲条件
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