Forskere afslører en ny model for virkningerne af stråling i vandsystemer

Hvad sker der, når stråling rammer vandet? Dette er et spørgsmål, der har indflydelse, hver gang du får taget et røntgenbillede hos lægen, da du for det meste er lavet af vand. Et team af teoretiske fysikere hos DESY har arbejdet på data taget af kolleger fra Argonne National Laboratory i USA ved LCLS røntgenlaser i Californien for at få et bedre svar på dette spørgsmål.

Det, de fandt, kan afgøre en kontrovers i fysik om tilstedeværelsen af ​​frie elektroner i vand, og hvordan de opfører sig på meget korte tidsskalaer:elektronerne, ubundet til atomer, bliver sekvestreret i bobler i burlignende strukturer mellem individuelle vandmolekyler. Disse resultater er rapporteret i Journal of the American Chemical Society .

Frie elektroner er elektroner, der ikke er bundet til atomer. I vand, der kommer i kontakt med stråling, kommer frie elektroner frem fra vandmolekylerne, da de ioniseres på grund af strålingen. Hvordan elektronerne flyder mellem vandmolekylerne i denne situation har været et diskussionsemne i længere tid.

I deres arbejde på LCLS på SLAC National Accelerator Laboratory så forsøgsholdet, ledet af Argonne-forskeren Linda Young, mærkelige signaturer forbundet med vandmolekylerne, der blev exciteret af lasere og afbildet af røntgenlaseren. De fandt strukturer blandt molekylerne ved hjælp af røntgenabsorptionsspektroskopi. For at få en bedre forståelse af, hvad disse resultater betød, henvendte eksperimentholdet sig til teoretiske fysikere i Hamborg.

Et hold ledet af DESY-forskeren Ludger Inhester fra Center for Free-Electron Laser Science undersøgte dataene og begyndte at lave modeller ud fra dataene i koordinering med forsøgsholdet. Tilsammen viser deres resultater, at de frie elektroner i vandet danner boblestrukturer, der derefter lukkes ind af vandmolekyler, svarende til hvordan kemikalier opløses i vand på molekylært niveau. Det lykkedes især DESY-teamet at vise processen bag denne opløsning af elektroner i vandet og dets parametre.

"Det viser sig, at opløsningsprocessen og dermed dannelsen af ​​burstrukturerne er bemærkelsesværdigt følsom over for temperaturændringer i vandet," siger Arturo Sopena, undersøgelsens første forfatter.

Den nye indsigt i solvateringsprocessen viser, at elektronen, som i første omgang kan findes over et stort område blandt vandmolekylerne, lægger sig fast på specifikke hydrogenbindingsmønstre, der opstår i det molekylære flydende vand og derefter "graver sig" dybere ned i en meget smal område inden for vandstrukturen.

Denne "gravning" og den tilhørende reorientering af de tilstødende vandmolekyler foregår bemærkelsesværdigt hurtigt og afsluttes inden for 100 femtosekunder, hvor et femtosekund er en kvadrilliontedel af et sekund. Boblen, som er omkring 50 milliardtedele af en meter bred, adskilles inden for flere picosekunder eller en billiontedel af et sekund.

"Hvordan reagerer vand, når det udsættes for stråling? Dette er et vigtigt spørgsmål," siger Inhester. "Dette er de første kemiske reaktionstrin, der er drevet af strålingen, som også bestemmer følgende strålingskemi, som også gælder for biologisk materiale."

Det nye arbejde blev også udført som en del af Cluster of Excellence CUI:Advanced Imaging of Matter ved Universität Hamburg. De nye resultater giver yderligere indsigt i adfærden af ​​strålingsskader forårsaget af ioniserende stråling i vand. Sådan vandrelevant forskning skal intensiveres yderligere på det nye Center for Molecular Water Science, som er ved at blive etableret i internationalt samarbejde på DESY-campus.

Flere oplysninger: Arturo Sopena Moros et al., Tracking Cavity Formation in Electron Solvation:Insights from X-ray Spectroscopy and Theory, Journal of the American Chemical Society (2024). DOI:10.1021/jacs.3c11857

Journaloplysninger: Tidsskrift for American Chemical Society

Leveret af Deutsches Elektronen-Synchrotron