Pesquisadores do Laboratório Nacional do Acelerador SLAC do Departamento de Energia descobriram uma etapa fundamental na ionização de água líquida usando a câmera de elétrons de alta velocidade do laboratório, "MeV-UED. Esta reação é de fundamental importância para uma ampla gama de campos, incluindo engenharia nuclear, viagem ao espaço, tratamento do câncer e remediação ambiental. Seus resultados foram publicados em Ciência hoje.

Quando a radiação de alta energia atinge uma molécula de água, ele desencadeia uma série de reações ultrarrápidas. Primeiro, ele expulsa um elétron, deixando para trás uma molécula de água carregada positivamente. Em uma fração de um trilionésimo de segundo, esta molécula de água dá um próton para outra molécula de água. Isso leva à criação de um radical hidroxila (OH) - que pode danificar virtualmente qualquer macromolécula em um organismo, incluindo DNA, RNA e proteínas - e um íon hidrônio (H ₃ O ⁺ ), que são abundantes no meio interestelar e caudas de cometas, e pode conter pistas sobre a origem da vida.

Capturando o par instável

Em um anterior Ciência artigo publicado em 2020, uma equipe liderada por cientistas do Laboratório Nacional de Argonne do DOE usou o laser de raios-X Linac Coherent Light Source (LCLS) para testemunhar, pela primeira vez, a reação ultrarrápida de transferência de prótons após ionização de água líquida. Mas até agora, os pesquisadores ainda não observaram diretamente o par hidroxil-hidrônio.

"Todas as cirurgias a laser e radioterapias produzem este complexo instável, que pode levar a muitas reações químicas no corpo humano, "diz o cientista e líder de estudos do SLAC, Ming-Fu Lin." Curiosamente, este complexo também ajuda a purificar nossa água potável matando germes. Também é importante na geração de energia nuclear, onde a água é ionizada por outras formas de radiação. Muitas simulações prevêem a existência deste complexo, mas agora finalmente observamos sua formação. "

Para observar o par hidroxil-hidrônio de vida curta, os pesquisadores criaram jatos de água líquida com 100 nanômetros de espessura - cerca de 1, 000 vezes mais fino do que a largura de um cabelo humano - e ionizou as moléculas de água com luz laser intensa. Em seguida, eles sondaram as moléculas com pulsos curtos de elétrons de alta energia do MeV-UED para gerar instantâneos de alta resolução do processo de ionização. Isso permitiu que eles medissem as ligações entre os átomos de oxigênio e as ligações entre os átomos de oxigênio e hidrogênio ao mesmo tempo, capturando assim este complexo importante, mas instável.

Abrindo uma janela para reações químicas

Para acompanhar, os pesquisadores planejam aumentar a velocidade da imagem para que o processo de transferência de prótons possa ser medido diretamente antes da formação dos pares hidroxil-hidrônio. Eles também esperam observar o elétron ejetado na água líquida para entender melhor como isso afeta o processo.

"Ambos os tópicos foram intensamente estudados por meio de simulações, mas nenhuma medida estrutural direta foi feita para validar as teorias, "diz Matthias Ihme, um professor associado do departamento de Engenharia Mecânica da Universidade de Stanford que conduziu a análise teórica. "Essas medições também são críticas para testar nossos modelos teóricos que prevêem esses processos."

"Muitos estados e estruturas intermediários em reações químicas são desconhecidos ou ainda não foram observados diretamente, "acrescenta Xijie Wang, um distinto cientista da equipe do SLAC e colaborador de estudos. "Podemos usar o MeV-UED para explorar e capturar vários complexos importantes e de curta duração, abrindo uma janela para estudar as reações químicas à medida que ocorrem. "