I ricercatori dello SLAC National Accelerator Laboratory del Dipartimento dell'Energia hanno scoperto un passaggio chiave nella ionizzazione dell'acqua liquida utilizzando la "fotocamera elettronica" ad alta velocità del laboratorio. " MeV-UED. Questa reazione è di fondamentale importanza per una vasta gamma di campi, compresa l'ingegneria nucleare, viaggio spaziale, trattamento del cancro e risanamento ambientale. I loro risultati sono stati pubblicati in Scienza oggi.

Quando una radiazione ad alta energia colpisce una molecola d'acqua, innesca una serie di reazioni ultraveloci. Primo, espelle un elettrone, lasciando dietro di sé una molecola d'acqua carica positivamente. In una frazione di un trilionesimo di secondo, questa molecola d'acqua cede un protone a un'altra molecola d'acqua. Questo porta alla creazione di un radicale idrossile (OH) - che può danneggiare praticamente qualsiasi macromolecola in un organismo, compreso il DNA, RNA e proteine ​​e uno ione idronio (H ₃ oh ⁺ ), che sono abbondanti nel mezzo interstellare e nelle code delle comete, e potrebbe contenere indizi sull'origine della vita.

Catturare la coppia instabile

In un precedente Scienza documento pubblicato nel 2020, un team guidato da scienziati dell'Argonne National Laboratory del DOE ha utilizzato il laser a raggi X Linac Coherent Light Source (LCLS) di SLAC per testimoniare, per la prima volta, la reazione di trasferimento di protoni ultraveloce dopo la ionizzazione dell'acqua liquida. Ma fino ad ora, i ricercatori dovevano ancora osservare direttamente la coppia idrossile-idronio.

"Tutti gli interventi laser e le radioterapie producono questo complesso instabile, che può portare a molte reazioni chimiche nel corpo umano, ", afferma lo scienziato SLAC e responsabile dello studio Ming-Fu Lin. "È interessante notare che questo complesso aiuta anche a purificare la nostra acqua potabile uccidendo i germi. È anche importante nella produzione di energia nucleare dove l'acqua è ionizzata da altre forme di radiazioni. Molte simulazioni prevedono l'esistenza di questo complesso, ma ora abbiamo finalmente osservato la sua formazione".

Per osservare la coppia idrossile-idronio di breve durata, i ricercatori hanno creato getti di acqua liquida dello spessore di 100 nanometri, circa 1, 000 volte più sottile della larghezza di un capello umano e ha ionizzato le molecole d'acqua con un'intensa luce laser. Quindi hanno sondato le molecole con brevi impulsi di elettroni ad alta energia da MeV-UED per generare istantanee ad alta risoluzione del processo di ionizzazione. Ciò ha permesso loro di misurare i legami tra atomi di ossigeno e legami tra atomi di ossigeno e idrogeno allo stesso tempo, catturando così questo complesso importante ma instabile.

Aprire una finestra sulle reazioni chimiche

Seguire, i ricercatori hanno in programma di aumentare la velocità di imaging in modo che il processo di trasferimento del protone possa essere misurato direttamente prima della formazione delle coppie idrossile-idronio. Sperano anche di osservare l'elettrone espulso nell'acqua liquida per capire meglio come influenza il processo.

"Entrambi gli argomenti sono stati studiati intensamente mediante simulazioni, ma non sono state prese misurazioni strutturali dirette per convalidare le teorie, "dice Matthias Ihme, un professore associato nel dipartimento di ingegneria meccanica della Stanford University che ha guidato l'analisi teorica. "Queste misurazioni sono anche fondamentali per testare i nostri modelli teorici che prevedono questi processi".

"Molti stati e strutture intermedi nelle reazioni chimiche sono sconosciuti o devono ancora essere osservati direttamente, " aggiunge Xijie Wang, un distinto scienziato del personale SLAC e collaboratore di studio. "Possiamo usare MeV-UED per esplorare e catturare vari complessi importanti e di breve durata, aprendo una finestra per studiare le reazioni chimiche man mano che si verificano."