Cosa succede quando le radiazioni colpiscono l’acqua? Questa è una domanda che ha un impatto ogni volta che fai una radiografia nello studio del medico, dato che sei composto principalmente da acqua. Un team di fisici teorici del DESY ha lavorato sui dati raccolti dai colleghi dell'Argonne National Laboratory negli Stati Uniti presso il laser a raggi X LCLS in California per ottenere una risposta migliore a questa domanda.
Ciò che hanno scoperto potrebbe risolvere una controversia in fisica sulla presenza di elettroni liberi nell’acqua e su come si comportano su scale temporali molto brevi:gli elettroni, non legati agli atomi, vengono sequestrati in bolle in strutture a gabbia tra le singole molecole d’acqua. Questi risultati sono riportati nel Journal of American Chemical Society .
Gli elettroni liberi sono elettroni che non sono legati agli atomi. Nell'acqua che entra in contatto con le radiazioni, gli elettroni liberi emergono dalle molecole d'acqua mentre si ionizzano a causa delle radiazioni. Il modo in cui gli elettroni fluiscono tra le molecole d'acqua in questa situazione è un argomento di discussione da molto tempo.
Nel loro lavoro al LCLS presso lo SLAC National Accelerator Laboratory, il team sperimentale, guidato dalla scienziata dell'Argonne Linda Young, ha visto strane firme associate alle molecole d'acqua eccitate dai laser e riprese dal laser a raggi X. Hanno trovato strutture tra le molecole utilizzando la spettroscopia di assorbimento dei raggi X. Per comprendere meglio il significato di questi risultati, il team sperimentale si è rivolto ai fisici teorici di Amburgo.
Un team guidato dallo scienziato Ludger Inhester del DESY del Center for Free-Electron Laser Science ha esaminato i dati e ha iniziato a creare modelli dai dati in coordinamento con il team sperimentale. Insieme, i loro risultati mostrano che gli elettroni liberi nell’acqua formano strutture a bolle che vengono poi ingabbiate dalle molecole d’acqua, in modo simile a come le sostanze chimiche vengono solvatate nell’acqua a livello molecolare. In particolare, il team DESY è riuscito a mostrare il processo alla base di questa solvatazione di elettroni nell'acqua e i suoi parametri.
"Si scopre che il processo di dissoluzione e quindi la formazione delle strutture della gabbia è notevolmente sensibile ai cambiamenti di temperatura nell'acqua", afferma Arturo Sopena, il primo autore dello studio.
Le nuove conoscenze sul processo di solvatazione mostrano che l’elettrone, che inizialmente può essere trovato su un’ampia area tra le molecole d’acqua, si aggancia a specifici modelli di legami idrogeno che si verificano nell’acqua liquida molecolare e poi “scava” più in profondità in uno spazio molto stretto. area all'interno della struttura dell'acqua.
Questo "scavare" e il relativo riorientamento delle molecole d'acqua vicine avvengono in modo straordinariamente rapido e vengono completati in 100 femtosecondi, dove un femtosecondo è un quadrilionesimo di secondo. La bolla, larga circa 50 miliardesimi di metro, si dissocia in pochi picosecondi, o in un trilionesimo di secondo.
"Come reagisce l'acqua quando esposta alle radiazioni? Questa è una domanda vitale", afferma Inhester. "Queste sono le prime fasi della reazione chimica guidate dalla radiazione che determinano anche la successiva chimica della radiazione, che si applica anche al materiale biologico."
Il nuovo lavoro è stato svolto anche nell’ambito del Cluster of Excellence CUI:Advanced Imaging of Matter presso l’Universität Hamburg. Le nuove scoperte forniscono ulteriori informazioni sul comportamento dei danni da radiazioni causati dalle radiazioni ionizzanti nell’acqua. Tale ricerca relativa all'acqua verrà ulteriormente intensificata presso l'emergente Centro per la scienza molecolare dell'acqua, che è stato istituito in cooperazione internazionale nel campus DESY.
Ulteriori informazioni: Arturo Sopena Moros et al, Tracciamento della formazione di cavità nella solvatazione elettronica:approfondimenti dalla spettroscopia a raggi X e dalla teoria, Journal of the American Chemical Society (2024). DOI:10.1021/jacs.3c11857
Informazioni sul giornale: Giornale dell'American Chemical Society
Fornito da Deutsches Elektronen-Synchrotron
