Forskere fanger vandets flygtige overgang til en meget reaktiv tilstand

Forskere ved Department of Energy's SLAC National Accelerator Laboratory har afsløret et nøgletrin i ioniseringen af ​​flydende vand ved hjælp af laboratoriets højhastigheds "elektronkamera, " MeV-UED. Denne reaktion er af fundamental betydning for en lang række områder, herunder nuklear teknik, rumrejse, kræftbehandling og miljøsanering. Deres resultater blev offentliggjort i Videnskab i dag.

Når højenergistråling rammer et vandmolekyle, det udløser en række ultrahurtige reaktioner. Først, det sparker en elektron ud, efterlader et positivt ladet vandmolekyle. Inden for en brøkdel af en trilliontedel af et sekund, dette vandmolekyle afgiver en proton til et andet vandmolekyle. Dette fører til dannelsen af ​​et hydroxylradikal (OH) - som kan beskadige stort set ethvert makromolekyle i en organisme, herunder DNA, RNA og proteiner - og en hydroniumion (H ₃ O ⁺ ), som er rigelige i det interstellare medium og haler på kometer, og kan indeholde spor om livets oprindelse.

Indfanger det ustabile par

I en tidligere Videnskab papir udgivet i 2020, et hold ledet af forskere ved DOE's Argonne National Laboratory brugte SLACs Linac Coherent Light Source (LCLS) røntgenlaser til at vidne, for første gang, den ultrahurtige protonoverførselsreaktion efter ionisering af flydende vand. Men indtil nu, forskere havde endnu ikke direkte observeret hydroxyl-hydronium-parret.

"Alle laseroperationer og strålebehandlinger producerer dette ustabile kompleks, som kan føre til mange kemiske reaktioner i den menneskelige krop, " siger SLAC videnskabsmand og studieleder Ming-Fu Lin. "Interessant nok, dette kompleks hjælper også med at rense vores drikkevand ved at dræbe bakterier. Det er også af betydning ved atomkraftproduktion, hvor vand ioniseres af andre former for stråling. Mange simuleringer forudsiger eksistensen af ​​dette kompleks, men nu har vi endelig observeret dets dannelse."

For at observere det kortlivede hydroxyl-hydronium-par, forskerne skabte 100 nanometer tykke stråler af flydende vand - omkring 1, 000 gange tyndere end bredden af ​​et menneskehår - og ioniserede vandmolekylerne med intenst laserlys. Derefter sonderede de molekylerne med korte impulser af højenergielektroner fra MeV-UED for at generere højopløselige snapshots af ioniseringsprocessen. Dette gjorde det muligt for dem at måle bindinger mellem oxygenatomer og bindinger mellem oxygen og brintatomer på samme tid, dermed indfange dette vigtige, men ustabile kompleks.

Åbner et vindue til kemiske reaktioner

At følge op på, forskerne planlægger at øge billeddannelseshastigheden, så protonoverførselsprocessen kan måles direkte før dannelsen af ​​hydroxyl-hydronium-parrene. De håber også at observere den udstødte elektron i det flydende vand for bedre at forstå, hvordan det påvirker processen.

"Begge emner er blevet intensivt undersøgt ved simuleringer, men der er ikke foretaget direkte strukturelle målinger for at validere teorier, " siger Matthias Ihme, en lektor i Stanford University Mechanical Engineering afdeling, der ledede den teoretiske analyse. "Disse målinger er også kritiske for at teste vores teoretiske modeller, der forudsiger disse processer."

"Mange mellemtilstande og strukturer i kemiske reaktioner er enten ukendte eller endnu ikke observeret direkte, " tilføjer Xijie Wang, en SLAC fremtrædende stabsforsker og studiesamarbejdspartner. "Vi kan bruge MeV-UED til at udforske og fange forskellige kortlivede og vigtige komplekser, åbne et vindue for at studere kemiske reaktioner, når de opstår."