I ricercatori guidati da Kiyoshi Ueda della Tohoku University hanno studiato cosa fanno realmente i raggi X nella materia e hanno identificato un nuovo meccanismo per produrre elettroni liberi a bassa energia. Poiché gli elettroni a bassa energia danneggiano la materia, il processo identificato potrebbe essere importante nella comprensione e nella progettazione del trattamento con radiazioni delle malattie.

I raggi X sono uno degli strumenti diagnostici più importanti in medicina, biologia e scienze dei materiali, poiché possono penetrare in profondità nel materiale opaco all'occhio umano. Il loro passaggio attraverso un campione, però, può avere effetti collaterali, poiché l'assorbimento dei raggi X depone energia negli strati profondi del campione. In casi estremi, l'applicazione dei raggi X è limitata da questi effetti collaterali, noto come "danno da radiazioni". La medicina è un settore in cui la dose di raggi X assorbita deve essere ridotta al minimo.

Sorprendentemente, non è chiaro cosa succede quando viene assorbita una radiografia, Per esempio, nel tessuto biologico costituito da acqua, biomolecole e alcuni atomi di metallo. Uno dei motivi è che le prime fasi delle reazioni dopo l'assorbimento di un raggio X, accadere estremamente veloce, entro 10-100 femtosecondi. Un femtosecondo è l'unità di tempo SI pari a 10?15. Per dirla in un altro modo, è un milionesimo di un miliardesimo di secondo.

Entro questo tempo, in una complessa cascata di eventi, vengono emessi diversi elettroni, e vengono create particelle reattive (ioni) caricate positivamente. La maggior parte degli esperimenti fatti fino ad ora sono stati in grado di caratterizzare questo stato finale solo molto tempo dopo che la reazione a cascata era stata completata. Però, è la comprensione precisa delle fasi intermedie che è molto importante per la previsione e la progettazione degli effetti delle radiazioni nella materia.

Il team ha ora condotto un esperimento che ha ottenuto una visione dettagliata senza precedenti delle prime centinaia di fs dopo l'assorbimento di un raggio X dalla materia.

In un sistema biologico, molte molecole d'acqua sono disposte in modo flessibile attorno alle molecole biologicamente funzionali, senza vincolarli fortemente.

Come sistema modello per questo, un flessibile, aggregato debolmente legato di due diversi gas nobili, Ne e Kr, è stato creato raffreddandoli a temperature estremamente basse. Questi ammassi di Ne-Kr sono stati quindi esposti ai raggi X pulsati della sorgente di radiazione di sincrotrone SPring-8 che, nelle condizioni scelte per l'esperimento, atomi di Ne preferenzialmente ionizzati.

Utilizzando un avanzato set-up sperimentale, il team è stato in grado di registrare tutti gli elettroni e gli ioni creati a ogni evento di assorbimento dei raggi X. Hanno scoperto che solo poche centinaia di fs dopo la ionizzazione iniziale, l'atomo di Ne che aveva assorbito i raggi X, così come due atomi di Kr vicini, erano tutti in uno ionizzato, stato di carica positiva.

Il meccanismo con cui procede questa ridistribuzione ultraveloce della carica, proposto teoricamente dal membro del gruppo di ricerca Lorenz Cederbaum, è stato chiamato 'Electron Transfer Mediated Decay' (ETMD). Consiste nel trasferimento di elettroni all'atomo di Ne originariamente ionizzato abbinato al trasferimento di energia lontano dal Ne, che porta alla ionizzazione del secondo atomo di Kr nelle vicinanze. L'esperimento dimostra chiaramente che la carica altamente localizzata prodotta dai raggi X nella materia, ridistribuisce su molti siti atomici in un tempo sorprendentemente breve.

Kiyoshi Ueda afferma:"Crediamo che la comprensione dei processi avviati dai raggi X a livello microscopico porterà a nuove intuizioni nelle discipline della fisica, biologia e chimica».

Questi risultati sono stati pubblicati sulla rivista scientifica Comunicazioni sulla natura .