Um único raio-X pode desvendar uma molécula enorme, físicos relatam na edição de 17 de março da Cartas de revisão física . Suas descobertas podem levar a imagens médicas mais seguras e a uma compreensão mais sutil da eletrônica de metais pesados.

As técnicas de imagens médicas, como as ressonâncias magnéticas, usam metais pesados ​​da parte inferior da tabela periódica como "corantes" para tornar certos tecidos mais fáceis de ver. Mas esses metais, chamados lantanídeos, são tóxicos. Para proteger a pessoa que vai fazer a ressonância magnética, alguns químicos envolvem o lantanídeo dentro de uma gaiola de átomos de carbono.

O físico molecular Razib Obaid e seu mentor, Prof. Norah Berra no departamento de física, queria saber mais sobre como os lantanídeos interagem com as gaiolas de carbono em que estão envolvidos. As gaiolas, 80 átomos de carbono fortes, são chamados de fulerenos e têm o formato de bolas de futebol. Na verdade, eles não se ligam ao lantanídeo; o metal flutua dentro da gaiola. Existem muitas situações semelhantes na natureza. Proteínas, por exemplo, costumam ter um metal pendurado perto de um gigante orgânico (isto é, principalmente feito de carbono).

Obaid e sua equipe de colaboradores da Kansas State University, Pulse Institute em Stanford, Instituto Max Planck em Heidelberg, e a Universidade de Heidelberg estudou como três átomos do elemento lantanídeo hólmio dentro de um fulereno de 80 carbonos reagiam aos raios-X. Seu palpite inicial era que, quando um raio-X atingiu um dos átomos de hólmio, seria absorvido por um elétron. Mas esse elétron seria tão energizado pelo raio-X absorvido que voaria para fora do átomo, deixando um lugar vago. Esse local seria então tomado por outro elétrons do hólmio, que teria que pular da borda externa do átomo para preenchê-lo. Esse elétron havia sido anteriormente associado a outro elétron na periferia do átomo. Quando ele saltou, seu ex solitário, chamado de elétron Auger, se afastaria de toda a molécula e seria detectado pelos cientistas. Sua energia distinta o denunciaria.

Parece complicado, mas esse teria sido o cenário mais simples (e, portanto, mais provável), os físicos pensaram. Mas não é o que eles viram.

Quando Obaid e seus colegas eletrocutaram a molécula de hólmio-fulereno com um raio-X suave (cerca de 160 elétron-volts), o número de elétrons Auger detectados era muito baixo. E muitos dos elétrons tinham energias muito menos do que deveriam ter os elétrons Auger.

Depois de alguns cálculos, a equipe descobriu que havia mais coisas acontecendo do que eles imaginavam.

Primeiro, o raio-X atingiria o hólmio, que perderia um elétron. O ponto vazio seria então preenchido pelo elétron da borda externa do átomo de hólmio. Isso estava correto. Mas a energia liberada pelo elétron saltador (quando ele pula 'para baixo' da periferia do átomo para o interior, ele também "desce" em energia) seria então absorvido pela gaiola de fulereno de carbono ou outro dos átomos de hólmio vizinhos. Em ambos os casos, a energia faria com que um elétron adicional se afastasse de tudo o que o absorveu, a gaiola de fulereno ou o átomo de hólmio.

A perda desses múltiplos elétrons desestabilizou toda a molécula, que então se desfaria inteiramente.

O resultado final?

"Você pode induzir danos por radiação apenas atingindo um átomo de 84, "diz Obaid. Ou seja, um único raio X é suficiente para destruir todo o complexo da molécula por meio desse processo de transferência de energia envolvendo átomos vizinhos. Ele dá algumas dicas sobre como os danos da radiação ocorrem em sistemas vivos, Obaid diz. Sempre se pensou que a radiação danifica o tecido ao remover os elétrons diretamente. Este experimento mostra que as interações entre um átomo ou molécula ionizada e seus vizinhos podem causar ainda mais danos e decadência do que a irradiação original.

O trabalho também dá aos físicos médicos uma ideia de como limitar a exposição do paciente a metais pesados ​​usados ​​como corantes em imagens médicas. Proteger todas as partes do corpo da radiação, exceto aquelas a serem fotografadas com corantes de metal pesado, pode potencialmente restringir a exposição ao metal pesado, bem como os danos da radiação, dizem os pesquisadores. O próximo passo deste trabalho seria entender exatamente a rapidez com que ocorre essa interação com os vizinhos. Os pesquisadores esperam que aconteça em apenas alguns femtossegundos (10 ^-15 s).