In un esperimento simile alla fotografia in stop-motion, gli scienziati hanno isolato il movimento energetico di un elettrone mentre "congelavano" il movimento dell'atomo molto più grande attorno al quale orbita in un campione di acqua liquida.
I risultati, riportati sulla rivista Science , forniscono una nuova finestra sulla struttura elettronica delle molecole nella fase liquida su una scala temporale precedentemente irraggiungibile con i raggi X. La nuova tecnica rivela la risposta elettronica immediata quando un bersaglio viene colpito da un raggio X, un passo importante nella comprensione degli effetti dell'esposizione alle radiazioni su oggetti e persone.
"Le reazioni chimiche indotte dalle radiazioni che vogliamo studiare sono il risultato della risposta elettronica del bersaglio che avviene su una scala temporale dell'attosecondo", ha affermato Linda Young, autrice senior della ricerca e Distinguished Fellow presso l'Argonne National Laboratory.
"Fino ad ora i chimici delle radiazioni potevano risolvere eventi solo su scala temporale del picosecondo, un milione di volte più lento di un attosecondo. È un po' come dire 'sono nato e poi sono morto.' Ti piacerebbe sapere cosa succede nel frattempo. Questo è ciò che ora siamo in grado di fare."
Un gruppo multiistituzionale di scienziati provenienti da diversi laboratori nazionali e università del Dipartimento dell'Energia negli Stati Uniti e in Germania ha combinato esperimenti e teorie per rivelare in tempo reale le conseguenze quando le radiazioni ionizzanti provenienti da una sorgente di raggi X colpiscono la materia.
Lavorare sulle scale temporali in cui si verifica l'azione consentirà al gruppo di ricerca di comprendere più a fondo la complessa chimica indotta dalle radiazioni. In effetti, questi ricercatori inizialmente si sono riuniti per sviluppare gli strumenti necessari per comprendere l'effetto dell'esposizione prolungata alle radiazioni ionizzanti sulle sostanze chimiche presenti nei rifiuti nucleari.
"I membri della nostra rete di inizio carriera hanno partecipato all'esperimento e poi si sono uniti ai nostri team sperimentali e teorici per analizzare e comprendere i dati", ha affermato Carolyn Pearce, direttrice di IDREAM EFRC e chimica del PNNL. "Non avremmo potuto realizzare tutto questo senza i partenariati IDREAM."
Le particelle subatomiche si muovono così velocemente che per catturarne le azioni è necessaria una sonda in grado di misurare il tempo in attosecondi, un intervallo di tempo così piccolo che ci sono più attosecondi in un secondo di quanti secondi ce ne siano stati nella storia dell'universo.
L’attuale indagine si basa sulla nuova scienza della fisica degli attosecondi, riconosciuta con il Premio Nobel per la fisica 2023. Gli impulsi di raggi X ad attosecondi sono disponibili solo in una manciata di strutture specializzate in tutto il mondo. Questo gruppo di ricerca ha condotto il proprio lavoro sperimentale presso la Linac Coherent Light Source (LCLS), situata presso lo SLAC National Accelerator Laboratory, a Menlo Park, in California, dove il team locale ha aperto la strada allo sviluppo di laser ad elettroni liberi a raggi X ad attosecondi.
"Gli esperimenti risolti nel tempo ad attosecondi sono uno degli sviluppi di punta della ricerca e sviluppo presso la sorgente luminosa coerente Linac", ha affermato Ago Marinelli dello SLAC National Accelerator Laboratory, che, insieme a James Cryan, ha guidato lo sviluppo della coppia sincronizzata di attosecondi a raggi X. impulsi pompa/sonda utilizzati da questo esperimento. "È emozionante vedere questi sviluppi applicati a nuovi tipi di esperimenti e portare la scienza degli attosecondi in nuove direzioni."
La tecnica sviluppata in questo studio, la spettroscopia di assorbimento transitorio ad attosecondi di raggi X nei liquidi, ha permesso loro di "osservare" gli elettroni energizzati dai raggi X mentre si spostano in uno stato eccitato, il tutto prima che il nucleo atomico più voluminoso abbia il tempo di muoversi. Hanno scelto l'acqua liquida come banco di prova per un esperimento.
"Ora disponiamo di uno strumento in cui, in linea di principio, è possibile seguire il movimento degli elettroni e vedere le molecole appena ionizzate mentre si formano in tempo reale", ha affermato Young, che è anche professore presso il Dipartimento di Fisica e James Franck. Institute dell'Università di Chicago.
Questi risultati recentemente riportati risolvono un dibattito scientifico di lunga data sul fatto se i segnali di raggi X osservati in esperimenti precedenti siano il risultato di diverse forme strutturali, o “motivi”, della dinamica degli atomi di acqua o idrogeno. Questi esperimenti dimostrano in modo conclusivo che tali segnali non sono la prova dell'esistenza di due motivi strutturali nell'acqua liquida ambientale.
"Fondamentalmente, ciò che le persone vedevano negli esperimenti precedenti era la sfocatura causata dal movimento degli atomi di idrogeno", ha detto Young. "Siamo stati in grado di eliminare quel movimento eseguendo tutte le nostre registrazioni prima che gli atomi avessero il tempo di muoversi."
Dalle reazioni semplici a quelle complesse
I ricercatori vedono l'attuale studio come l'inizio di una direzione completamente nuova per la scienza degli attosecondi.
Per fare la scoperta, i chimici sperimentali del PNNL hanno collaborato con fisici dell’Argonne e dell’Università di Chicago, specialisti di spettroscopia a raggi X e fisici degli acceleratori presso SLAC, chimici teorici dell’Università di Washington e teorici della scienza degli attosecondi del Centro di Amburgo per l’imaging ultraveloce e il Center for Free-Electron Laser Science (CFEL), Deutsches Elektronen-Synchrotron (DESY), ad Amburgo, in Germania.
Durante la pandemia globale, nel 2021 e nel 2022, il team PNNL ha utilizzato tecniche sviluppate presso SLAC per spruzzare un foglio ultrasottile di acqua pura attraverso il percorso dell'impulso della pompa a raggi X.
"Avevamo bisogno di uno specchio d'acqua bello, piatto e sottile dove poter concentrare i raggi X", ha detto Emily Nienhuis, una chimica all'inizio della carriera presso PNNL, che ha avviato il progetto come ricercatrice associata post-dottorato. "Questa capacità è stata sviluppata presso la LCLS." Al PNNL, Nienhuis ha dimostrato che questa tecnica può essere utilizzata anche per studiare le specifiche soluzioni concentrate che sono fondamentali per IDREAM EFRC e che saranno studiate nella fase successiva della ricerca.
Una volta raccolti i dati dei raggi X, il chimico teorico Xiaosong Li e lo studente laureato Lixin Lu dell’Università di Washington hanno applicato le loro conoscenze sull’interpretazione dei segnali dei raggi X per riprodurre i segnali osservati allo SLAC. Il team CFEL, guidato dal teorico Robin Santra, ha modellato la risposta dell'acqua liquida ai raggi X degli attosecondi per verificare che il segnale osservato fosse effettivamente limitato alla scala temporale degli attosecondi.
"Utilizzando il supercomputer Hyak presso l'Università di Washington, abbiamo sviluppato una tecnica di chimica computazionale all'avanguardia che ha consentito la caratterizzazione dettagliata degli stati quantistici transitori ad alta energia nell'acqua", ha affermato Li, titolare della cattedra di Chimica Larry R. Dalton presso l'Università di Washington. Università di Washington e ricercatore di laboratorio presso PNNL.
"Questa svolta metodologica ha prodotto un progresso fondamentale nella comprensione a livello quantistico della trasformazione chimica ultraveloce, con eccezionale precisione e dettaglio a livello atomico."
Il ricercatore principale Young ha avviato lo studio e ne ha supervisionato l'esecuzione, che è stata condotta sul posto dal primo autore e postdoc Shuai Li. Il fisico Gilles Doumy, anch'egli di Argonne, e lo studente laureato Kai Li dell'Università di Chicago facevano parte del team che ha condotto gli esperimenti e analizzato i dati. Il Centro per i materiali su nanoscala dell'Argonne, una struttura utilizzata dal DOE Office of Science, ha contribuito a caratterizzare il bersaglio del getto d'acqua.
Insieme, il team di ricerca ha potuto osservare il movimento degli elettroni in tempo reale nell'acqua liquida mentre il resto del mondo era fermo.
"La metodologia che abbiamo sviluppato consente lo studio dell'origine e dell'evoluzione delle specie reattive prodotte da processi indotti dalle radiazioni, come quelli riscontrati nei viaggi spaziali, nei trattamenti contro il cancro, nei reattori nucleari e nei rifiuti esistenti", ha affermato Young.
Ulteriori informazioni: Shuai Li et al, Spettroscopia a raggi X con sonda ad attosecondi e pompa ad attosecondi dell'acqua liquida, Scienza (2024). DOI:10.1126/science.adn6059. www.science.org/doi/10.1126/science.adn6059
Informazioni sul giornale: Scienza
Fornito dal Pacific Northwest National Laboratory
