Sorgente di raggi X compatta per la ricerca nel campo delle scienze della vita
Un'alternativa salvaspazio ai laser a elettroni liberi che si estendono per chilometri
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I raggi X con lunghezze d’onda comprese tra circa 2,3 e 4,4 nanometri, ovvero nella cosiddetta “finestra dell’acqua”, sono particolarmente adatti all’analisi di campioni biologici nel loro ambiente naturale, acquoso. Finora, tuttavia, è stato tecnicamente difficile ottenere questo tipo di radiazione con qualità e intensità adeguate. Un gruppo di ricerca europeo composto da ricercatori dell’Università Heinrich Heine di Düsseldorf (HHU), del centro di ricerca ELI Beamlines e dell’Università di Strathclyde ha ora dimostrato, attraverso simulazioni su modelli, che gli acceleratori di particelle basati su laser-plasma possono offrire un facile accesso a questa gamma di radiazioni.
I sistemi biologici sono costituiti in gran parte da acqua. Al contrario, le molecole biologiche contengono, ad esempio, carbonio e azoto. Quando si tratta di rappresentare tali molecole ad alta risoluzione, è utile la radiazione elettromagnetica – per la quale l’acqua è trasparente ma che viene fortemente assorbita da altri atomi. E questo vale proprio per la radiazione a raggi X morbidi nella “finestra dell’acqua”.
Il professor Bernhard Hidding, responsabile del gruppo di fisica del plasma laser a campo forte presso l’HHU e autore corrispondente dello studio, afferma: «Finora la comunità scientifica ha fatto affidamento su sistemi laser a elettroni liberi lunghi chilometri – basati su acceleratori di elettroni convenzionali – per ottenere una radiazione sufficientemente intensa per gli esami biologici. In collaborazione con la struttura ELI Beamlines di Dolní Břežany, nella Repubblica Ceca, e l’Università di Strathclyde in Scozia, stiamo adottando un approccio diverso: vogliamo utilizzare un acceleratore di elettroni compatto basato sulla tecnologia laser-plasma, i cui aspetti chiave sono stati sviluppati a Düsseldorf».
In un acceleratore laser-plasma, un impulso laser ad alta intensità genera un’onda di plasma in un gas. La sua intensità di campo estremamente elevata è in grado di accelerare gli elettroni fino a quasi la velocità della luce in uno spazio di pochi centimetri.
Lily Berman, dottoranda nel gruppo di lavoro del professor Hidding presso l’Università di Strathclyde e autrice principale dello studio: «Le nostre simulazioni dimostrano che i nuovi impulsi di elettroni ultrabrillanti negli “undulatori magnetici” possono produrre lampi di raggi X, in cui la massima quantità di energia degli elettroni viene convertita in energia dei raggi X, nel raggio di pochi metri. Il processo dovrebbe inoltre essere molto robusto e regolabile in modo flessibile».
Il dottor Fahim Habib, ricercatore principale presso il centro di ricerca ELI (Extreme Light Infrastructure): «Il fatto che una fonte di radiazione di questo tipo possa funzionare come un laser a elettroni liberi dipende principalmente dalla qualità dei fasci di elettroni. Il nostro studio dimostra che un nuovo acceleratore ibrido laser-plasma potrebbe creare i presupposti necessari. Testeremo questo approccio sperimentalmente nel prossimo futuro.”
Il professor Hidding sulle prospettive future: «Poiché un sistema di questo tipo è molto compatto e può essere realizzato a una frazione del costo degli acceleratori di particelle convenzionali, potrebbe essere installato anche presso università e centri di ricerca, oppure utilizzato per scopi commerciali. L’imaging e la spettroscopia a raggi X nella finestra dell’acqua possono così essere estesi da pochi grandi laboratori nazionali al panorama della ricerca in senso più ampio».
Lo studio è stato condotto nell’ambito di una partnership strategica tra l’HHU e ELI Beamlines ed è stato finanziato dalla Fondazione tedesca per la ricerca, dal Ministero federale della ricerca, della tecnologia e dello spazio, nonché tramite programmi europei di finanziamento della ricerca quali l’European Plasma Research Accelerator with eXcellence (EuPRAXIA).
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