Os flashes ultrarrápidos de raios X reparam os danos que causam
A emissão estimulada faz com que os eletrões regressem ao seu estado fundamental — enquanto a irradiação ainda está a decorrer
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A interação entre os raios X e a matéria pode ser controlada de forma ativa: uma equipa de investigação internacional liderada pela Universidade de Hamburgo e pelo Laboratório Nacional de Aceleradores SLAC conseguiu produzir imagens de raios X nítidas que causam danos significativamente menores. Na revista *Nature Communications*, os investigadores relatam a utilização de impulsos ultrarrápidos que revertem parcialmente os danos que geram.
Os raios X são radiação ionizante e podem danificar praticamente toda a matéria. É por isso que os radiologistas se esforçam por manter a dose de raios X na imagiologia tão baixa quanto possível. Ao mesmo tempo, têm de garantir que a imagem seja suficientemente nítida e contenha detalhes suficientes para o diagnóstico. Este compromisso tem vindo a moldar a imagiologia por raios X há décadas.
Os investigadores que pretendem obter imagens de reações químicas em moléculas individuais e nanopartículas enfrentam uma versão muito mais extrema do mesmo problema. Para captar algo tão pequeno e fugaz como uma reação no interior de um aglomerado de átomos, têm de iluminar a amostra com um grande número de fotões de raios X numa rajada extremamente curta. As ferramentas mais avançadas para este fim — os lasers de elétrons livres de raios X (XFELs) — produzem flashes suficientemente curtos para «ultrapassar» a destruição física da amostra. No entanto, mesmo estes pulsos curtos arrancam elétrons dos átomos e transformam uma estrutura sólida numa nuvem de iões e elétrons antes que uma imagem utilizável possa ser registada. Este fenómeno, denominado «descoloração eletrónica», tem sido há muito considerado uma limitação inevitável da imagiologia de raios X de alta resolução. Assim que a amostra sofre descoloração, torna-se mais transparente aos raios X, e a qualidade e a resolução da imagem deterioram-se.
No presente estudo, a equipa apresenta uma forma de mitigar este branqueamento — mesmo quando a dose de raios X é levada a níveis extremos.
Para o conseguir, os investigadores iluminaram nanopartículas de néon com pulsos de raios X recentemente disponibilizados, com duração de apenas algumas centenas de attossegundos. Estes pulsos eram cerca de cem a mil vezes mais curtos do que os utilizados em experiências anteriores de imagiologia com FEL. Ao ajustar estes flashes ultracurtos perto do limiar K do néon (uma energia na qual os átomos de néon respondem de forma especialmente intensa aos raios X), os investigadores fizeram uma observação inesperada: os pulsos não só superaram os danos de forma mais eficaz, como também reverteram ativamente parte deles enquanto a irradiação ainda estava a ocorrer.
«Quando raios X intensos atingem uma amostra, normalmente arrancam eletrões do seu estado original. De acordo com o conhecimento geral, uma vez que este dano tenha sido desencadeado, não pode ser revertido durante a exposição», afirma Anatoli Ulmer, primeiro autor do estudo. «Os pulsos na escala dos attossegundos quebram este ciclo, ultrapassando a cascata habitual de danos. Além disso, observámos um processo concorrente: a emissão estimulada. Neste caso, os raios X empurram alguns eletrões de volta para o seu estado original. A emissão estimulada reduz, portanto, ativamente o branqueamento eletrónico.»
Para delimitar o efeito da emissão estimulada, a equipa comparou o impacto de impulsos de 300 attossegundos com impulsos que duravam 50 vezes mais, com brilho semelhante. Quando os impulsos são muito curtos, muitos dos mecanismos responsáveis pelo branqueamento podem nem sequer ter tempo para se iniciar. Os pulsos mais longos produziram uma nuvem quente e densa de eletrões livres. Embora os próprios iões quase não se movam, este nanoplasma acaba por desfocar a informação estrutural da amostra.
Em contrapartida, os pulsos ultrarrápidos refletem mais eletrões que permaneceram acoplados aos seus iões de origem. Isto produziu uma imagem que representa a amostra com muito mais precisão — tal como existia antes da chegada dos raios X.
Além disso, o sinal de raios X proveniente dos pulsos de attossegundos era significativamente mais forte, apesar de a amostra ter sido menos ionizada. «Ficámos muito surpreendidos ao ver que imagens mais brilhantes vêm acompanhadas de menos danos», afirma Tais Gorkhover, professora da Universidade de Hamburgo e investigadora do Cluster de Excelência «CUI: Advanced Imaging of Matter». «É um pouco como refletir cada vez mais luz solar a partir de um telhado metálico sem que este fique mais quente.» Este efeito também pode ser explicado teoricamente através da emissão estimulada: os eletrões podem ser impulsionados de volta para os seus iões originais pela luz de raios X, desde que o desbranqueamento não tenha avançado demasiado.
Os resultados desviam a atenção da abordagem anteriormente bastante passiva para melhorar a imagiologia por raios X. Em vez de encarar os danos como uma espécie de corrida que só pode ser vencida através de exposições mais curtas ou doses limitadas de raios X, as descobertas sugerem que a interação entre os raios X e a matéria pode ser ativamente orientada. Com a mesma luz intensa que causa os danos, também é possível neutralizá-los, pelo menos parcialmente. «Este trabalho aponta para um futuro em que poderemos adaptar a resposta da matéria aos raios X, controlando a dinâmica eletrónica ultrarrápida e, em última análise, influenciar a forma como os raios X são absorvidos, dispersos e propagados através dos materiais», afirma Phay Ho, um dos principais cientistas do estudo.
Observação: Este artigo foi traduzido usando um sistema de computador sem intervenção humana. A LUMITOS oferece essas traduções automáticas para apresentar uma gama mais ampla de notícias atuais. Como este artigo foi traduzido com tradução automática, é possível que contenha erros de vocabulário, sintaxe ou gramática. O artigo original em Inglês pode ser encontrado aqui.
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