XFEL Ondulator, il Laser per lo studio di virus e molecole

Le applicazioni. Lo XFEL potrà cogliere istantanee ultraprecise di tutti i movimenti e i cambiamenti strutturali di molecole e virus.  Ciò consentirà agli scienziati di studiare in azione, come se si trattasse di un film, quei meccanismi molecolari che stanno alla base della vita e che fino ad oggi potevano essere studiati non direttamente, ma solo osservando i loro effetti. “Oggi in molti casi i biologi e i chimici, quando studiano un processo o una reazione, sanno qual è la situazione di partenza e sanno ciò che ottengono alla fine. Ma non possono vedere cos’è successo in mezzo, perché – spesso – è accaduto troppo velocemente – spiega Maurizio Vannoni, fisico dello XFEL.  – Invece questa macchina produce dei flash talmente rapidi e talmente corti nel tempo che “congelano” l’istante e danno la possibilità di vedere cos’è successo in quel lasso di tempo in cui la reazione è avvenuta”. Un po’ come una luce stroboscopica, che ci permette di vedere i movimenti in discoteca come successione di tante istantanee illuminate da rapidi flash. “Questa capacità mai vista prima di fotografare il momento è data dai 27.000 flash a raggi X che lo XFEL emette in un secondo – sottolinea Vannoni – . E poi c’è un’altra caratteristica importante: la luce prodotta ha un’intensità molto grande, di diversi ordini di grandezza superiore a quella prodotta dai sincrotroni già esistenti. Per cui XFEL ci dà la possibilità di vedere cose che fino ad oggi erano  nascoste. Potremo vedere, ad esempio, caratteristiche dei materiali che prima non si vedevano. E quindi capire come migliorare i materiali”.

“La superiore intensità del nostro fascio luminoso ci permette anche di studiare cose che non si possono cristallizzare» spiega Vannoni. «Ad esempio  sistemi biologici o fisici che esistono solo per pochi attimi, e che prima erano impossibili da studiare così in dettaglio. Un esempio: l’anno prossimo ci sarà un esperimento dove si ricreeranno degli stati di materia che esistono solo nel Sole o nelle stelle, e che sulla Terra possono esistere solo per delle frazioni di secondo prima di sparire. Lo XFEL riuscirà ad osservarle»

Come funziona. “All’inizio del tunnel, spariamo su una lastra di metallo un laser talmente potente da far uscire elettroni dal metallo – spiega Vannoni. – Poi gli elettroni vengono raccolti e spediti dentro un lungo cannone che li accelera costantemente, fino a che non arrivano molto vicino alla velocità della luce. Finito il cannone, gli elettroni continuano il loro percorso dentro il tubo a vuoto e passano in mezzo a una serie di piccoli magneti che li fanno oscillare. Oscillando, mentre continuano a procedere in linea retta, gli elettroni generano i raggi X”. Che possiamo considerare come onda (raggi X) o come particella (i fotoni).  “Il tunnel è talmente lungo che per un certo tratto gli elettroni procedono affiancati dai fotoni generati dagli elettroni che li hanno preceduti. Questa vicinanza fa sì che entrino in risonanza e che si generi un fascio di luce molto pura e molto intensa, che poi è quella che colpirà – con i rapidissimi flash – l’oggetto da studiare”, spiega Maurizio Vannoni – .L’oggetto, ad esempio la molecola durante una reazione, verrà distrutto dal fascio così intenso. Ma ripetendo una stessa reazione molte volte e “fotografandola” ogni volta in un momento diverso, riusciremo a ricostruirne il “film molecolare” che ci racconterà i suoi segreti”.