Un singolo raggio X può svelare un'enorme molecola, i fisici riferiscono nel numero del 17 marzo di Lettere di revisione fisica . Le loro scoperte potrebbero portare a immagini mediche più sicure ea una comprensione più sfumata dell'elettronica dei metalli pesanti.

Le tecniche di imaging medico come la risonanza magnetica utilizzano metalli pesanti dal fondo della tavola periodica come "coloranti" per rendere più facili da vedere determinati tessuti. Ma questi metalli, chiamati lantanidi, sono tossici. Per proteggere la persona che riceve la risonanza magnetica, alcuni chimici avvolgono il lantanide all'interno di una gabbia di atomi di carbonio.

Il fisico molecolare Razib Obaid e il suo mentore, Prof. Norah Berra nel dipartimento di fisica, voleva saperne di più su come i lantanidi interagiscono con le gabbie di carbonio in cui sono avvolti. Le gabbie, 80 atomi di carbonio forti, sono chiamati fullereni e hanno la forma di palloni da calcio. In realtà non si legano al lantanide; il metallo galleggia all'interno della gabbia. Ci sono molte situazioni simili in natura. proteine, Per esempio, spesso hanno un metallo appeso vicino a un gigante organico (cioè, per lo più costituito da carbonio) molecola.

Così Obaid e il suo team di collaboratori della Kansas State University, Istituto di impulsi a Stanford, Istituto Max Planck di Heidelberg, e l'Università di Heidelberg ha studiato come reagivano ai raggi X tre atomi dell'elemento lantanide olmio all'interno di un fullerene da 80 atomi di carbonio. La loro ipotesi iniziale era che quando un raggio X ha colpito per la prima volta uno degli atomi di olmio, verrebbe assorbito da un elettrone. Ma quell'elettrone sarebbe così energizzato dai raggi X assorbiti che volerebbe fuori dall'atomo, lasciando un posto vacante. Quel punto sarebbe stato preso da un altro degli elettroni dell'olmio, che dovrebbe saltare giù dal bordo esterno dell'atomo per riempirlo. Quell'elettrone era stato precedentemente associato a un altro elettrone alla periferia dell'atomo. Quando è saltato giù, il suo ex solitario, chiamato un elettrone Auger, si allontanerebbe dall'intera molecola e verrebbe rilevato dagli scienziati. La sua energia distintiva lo tradirebbe.

Sembra complicato, ma quello sarebbe stato lo scenario più semplice (e quindi più probabile), pensavano i fisici. Ma non è quello che hanno visto.

Quando Obaid e i suoi colleghi hanno fatto esplodere la molecola di olmio-fullerene con un raggio X morbido (circa 160 elettronvolt), il numero degli elettroni Auger rilevati era troppo basso. E troppi degli elettroni avevano energie molto inferiori a quelle che dovrebbero avere gli elettroni Auger.

Dopo qualche calcolo, la squadra ha capito che stava succedendo più di quanto avessero immaginato.

Primo, i raggi X colpirebbero l'olmio, che perderebbe un elettrone. Il punto vuoto verrebbe quindi riempito dall'elettrone del bordo esterno dell'atomo di olmio. Questo era corretto. Ma l'energia rilasciata dall'elettrone che salta (quando salta "giù" dalla periferia dell'atomo verso l'interno, salta anche 'giù' in energia) verrebbe quindi assorbito dalla gabbia di carbonio fullerene o da un altro degli atomi di olmio vicini. In ogni caso, l'energia farebbe allontanare un elettrone aggiuntivo da qualunque cosa lo abbia assorbito, la gabbia del fullerene o l'atomo di olmio.

La perdita di questi elettroni multipli ha destabilizzato l'intera molecola, che poi crollerebbe del tutto.

Il risultato finale?

"Puoi indurre danni da radiazioni semplicemente colpendo un atomo su 84, " dice Obaid. Cioè, un singolo colpo di raggi X è sufficiente per distruggere l'intero complesso molecolare attraverso questo processo di trasferimento di energia che coinvolge gli atomi vicini. Fornisce alcune informazioni su come si verifica il danno da radiazioni nei sistemi viventi, dice Obaid. Si è sempre pensato che le radiazioni danneggiassero i tessuti rimuovendo direttamente gli elettroni. Questo esperimento mostra che le interazioni tra un atomo o una molecola ionizzata e i suoi vicini possono causare ancora più danni e decadimento rispetto all'irradiazione originale.

Il lavoro fornisce anche ai fisici medici un'idea di come limitare l'esposizione del paziente ai metalli pesanti usati come coloranti nell'imaging medico. La schermatura di tutte le parti del corpo dalle radiazioni, ad eccezione di quelle da riprendere con coloranti di metalli pesanti, può potenzialmente limitare l'esposizione ai metalli pesanti e il danno da radiazioni, dicono i ricercatori. Il prossimo passo di questo lavoro sarebbe capire esattamente quanto velocemente avviene questa interazione con i vicini. I ricercatori si aspettano che avvenga in pochi femtosecondi (10 ^-15 S).