I fasci di ioni sono spesso usati oggi nel trattamento del cancro:questo comporta il lancio di atomi caricati elettricamente sul tumore per distruggere le cellule tumorali. Sebbene, in realtà non sono gli ioni stessi a causare il danno decisivo. Quando gli ioni penetrano attraverso il materiale solido, possono condividere parte della loro energia con molti singoli elettroni, che poi continuano a muoversi a velocità relativamente bassa, e sono proprio questi elettroni che poi distruggono il DNA delle cellule cancerose.

Questo meccanismo è complesso e non ancora del tutto compreso. I ricercatori della TU Wien sono stati ora in grado di dimostrare che un effetto precedentemente poco osservato gioca effettivamente un ruolo fondamentale in questo contesto:a causa di un processo chiamato decadimento coulombiano interatomico, uno ione può trasmettere ulteriore energia agli atomi circostanti. Questo libera un numero enorme di elettroni, con esattamente la giusta quantità di energia per causare un danno ottimale al DNA delle cellule tumorali. Al fine di comprendere e migliorare ulteriormente la particolare efficacia della terapia ionica, questo meccanismo va assolutamente preso in considerazione. I risultati sono stati recentemente pubblicati nella pubblicazione specializzata Journal of Physical Chemistry Letters .

Una particella veloce o molte lente

Quando una particella carica penetra in un materiale a grande velocità, come un tessuto umano, lascia dietro di sé un gigantesco disordine atomico:"Questo può innescare un'intera cascata di effetti, "dice Janine Schwestka, autore principale della recente pubblicazione, che sta attualmente lavorando alla sua tesi nel team guidato dal Prof. Friedrich Aumayr e dal Dr. Richard Wilhelm. Quando lo ione si muove attraverso altri atomi, queste e altre particelle possono ionizzarsi, gli elettroni veloci volano intorno e poi si scontrano con altre particelle. In definitiva, un veloce, ione carico può innescare una pioggia di particelle di centinaia di elettroni ciascuno con energia molto più bassa.

Nella vita di tutti i giorni, siamo abituati a oggetti veloci che hanno effetti più drammatici di quelli più lenti:un pallone da calcio tirato a tutta forza provoca molti più danni in un negozio di porcellane di uno che viene fatto rotolare delicatamente. A livello atomico, però, questo non si applica:"La probabilità che un elettrone lento distrugga un filamento di DNA è molto maggiore. Al contrario, un elettrone estremamente veloce normalmente vola proprio oltre la molecola di DNA senza lasciare traccia, " spiega Janine Schwestka.

Da un guscio elettronico all'altro

Il team di TU Wien ha recentemente esaminato più da vicino un effetto estremamente speciale, vale a dire, Decadimento Coulombico interatomico. "Gli elettroni dello ione possono assumere stati diversi. A seconda di quanta energia hanno, possono essere posizionati in uno dei gusci interni, vicino al nucleo, o in un guscio esterno, " dice Janine Schwestka. Non tutti i possibili spazi elettronici sono occupati. Se un guscio di elettroni nell'intervallo di energia media è libero, un elettrone può quindi passare da un guscio con energia maggiore. Questo rilascia energia, che può poi essere passato al materiale tramite il decadimento coulombiano interatomico:"Lo ione trasferisce questa energia a diversi atomi nelle immediate vicinanze contemporaneamente. Un elettrone è staccato da ciascuno di questi atomi ma poiché l'energia è divisa tra più atomi noi stiamo parlando di molti elettroni molto lenti, " spiega Schwestka.

Xeno e grafene

Con l'aiuto di un ingegnoso apparato sperimentale, è stato ora possibile dimostrare l'efficacia di questo processo. Gli ioni xeno a carica multipla vengono sparati su uno strato di grafene. Gli elettroni dei gusci di xeno esterni passano in una posizione in un altro guscio con meno energia, provocando il distacco di elettroni da numerosi atomi di carbonio nello strato di grafene, che vengono poi registrati da un rilevatore, in modo da misurare la loro energia. "Infatti, in questo modo, siamo stati in grado di dimostrare che il decadimento coulombiano interatomico svolge un ruolo vitale nella generazione di un gran numero di elettroni liberi nel materiale, " dice il prof. Friedrich Aumayr.

Per descrivere correttamente l'interazione dei fasci ionici con materiali solidi o tessuti organici, questo effetto va assolutamente tenuto in considerazione. Questo è importante, da una parte, per l'ottimizzazione delle terapie con fasci di ioni per il trattamento del cancro, ma anche per altri importanti ambiti, come proteggere la salute degli equipaggi della stazione spaziale, dove sei esposto a un costante bombardamento di particelle dalla radiazione cosmica.