Numa experiência semelhante à fotografia stop-motion, os cientistas isolaram o movimento energético de um electrão enquanto “congelavam” o movimento do átomo muito maior que ele orbita numa amostra de água líquida.



As descobertas, publicadas na revista Science , fornecem uma nova janela para a estrutura eletrônica das moléculas na fase líquida em uma escala de tempo anteriormente inatingível com os raios X. A nova técnica revela a resposta eletrônica imediata quando um alvo é atingido por raios X, um passo importante na compreensão dos efeitos da exposição à radiação em objetos e pessoas.

"As reações químicas induzidas pela radiação que queremos estudar são o resultado da resposta eletrônica do alvo que acontece na escala de tempo de attossegundos", disse Linda Young, autora sênior da pesquisa e bolsista ilustre do Laboratório Nacional de Argonne.

“Até agora, os químicos de radiação só conseguiam resolver eventos na escala de tempo de picossegundos, um milhão de vezes mais lenta que um attossegundo. É como dizer 'eu nasci e depois morri'. Você gostaria de saber o que acontece no meio. Isso é o que agora podemos fazer."

Um grupo multi-institucional de cientistas de vários laboratórios nacionais e universidades do Departamento de Energia dos EUA e da Alemanha combinou experiências e teoria para revelar em tempo real as consequências quando a radiação ionizante de uma fonte de raios X atinge a matéria.

Trabalhar nas escalas de tempo em que a ação acontece permitirá à equipe de pesquisa compreender mais profundamente a complexa química induzida pela radiação. Na verdade, estes investigadores reuniram-se inicialmente para desenvolver as ferramentas necessárias para compreender o efeito da exposição prolongada à radiação ionizante nos produtos químicos encontrados nos resíduos nucleares.

"Membros de nossa rede em início de carreira participaram do experimento e depois se juntaram a nossas equipes experimentais e teóricas completas para analisar e compreender os dados", disse Carolyn Pearce, diretora do IDREAM EFRC e química do PNNL. "Não poderíamos ter feito isso sem as parcerias IDREAM."

Do Prêmio Nobel ao campo

As partículas subatômicas se movem tão rápido que capturar suas ações requer uma sonda capaz de medir o tempo em attosegundos, um período de tempo tão pequeno que há mais attossegundos em um segundo do que houve segundos na história do universo.

A investigação atual baseia-se na nova ciência da física dos attosegundos, reconhecida com o Prémio Nobel da Física de 2023. Os pulsos de raios X de attosegundo estão disponíveis apenas em algumas instalações especializadas em todo o mundo. Esta equipe de pesquisa conduziu seu trabalho experimental na Linac Coherent Light Source (LCLS), localizada no SLAC National Accelerator Laboratory, em Menlo Park, Califórnia, onde a equipe local foi pioneira no desenvolvimento de lasers de elétrons livres de raios X de attossegundos.

"Os experimentos resolvidos no tempo de attossegundos são um dos principais desenvolvimentos de pesquisa e desenvolvimento na fonte de luz coerente Linac", disse Ago Marinelli, do Laboratório Nacional de Aceleradores SLAC, que, junto com James Cryan, liderou o desenvolvimento do par sincronizado de attosegundos de raios-X. pulsos de bomba/sonda que este experimento usou. "É emocionante ver esses desenvolvimentos sendo aplicados a novos tipos de experimentos e levando a ciência do segundo segundo a novas direções."

A técnica desenvolvida neste estudo, toda espectroscopia de absorção transitória de raios X em attossegundos em líquidos, permitiu-lhes "observar" elétrons energizados por raios X à medida que se movem para um estado excitado, tudo antes que o núcleo atômico mais volumoso tivesse tempo de se mover. Eles escolheram a água líquida como caso de teste para um experimento.

"Agora temos uma ferramenta onde, em princípio, você pode acompanhar o movimento dos elétrons e ver moléculas recém-ionizadas à medida que são formadas em tempo real", disse Young, que também é professor do Departamento de Física e James Franck. Instituto da Universidade de Chicago.

Estas descobertas recentemente relatadas resolvem um debate científico de longa data sobre se os sinais de raios X vistos em experiências anteriores são o resultado de diferentes formas estruturais, ou "motivos", da dinâmica dos átomos de água ou de hidrogénio. Estas experiências demonstram conclusivamente que esses sinais não são evidências de dois motivos estruturais na água líquida ambiente.

“Basicamente, o que as pessoas viam em experiências anteriores era o desfoque causado pelo movimento dos átomos de hidrogénio”, disse Young. "Conseguimos eliminar esse movimento fazendo todas as nossas gravações antes que os átomos tivessem tempo de se mover."

De reações simples a complexas

Os pesquisadores veem o estudo atual como o início de uma direção totalmente nova para a ciência dos attossegundos.

Para fazer a descoberta, os químicos experimentais do PNNL se uniram a físicos de Argonne e da Universidade de Chicago, especialistas em espectroscopia de raios X e físicos de aceleradores do SLAC, químicos teóricos da Universidade de Washington e teóricos da ciência de attossegundos do Centro de Imagens Ultrarrápidas de Hamburgo e o Centro de Ciência do Laser de Elétrons Livres (CFEL), Deutsches Elektronen-Synchrotron (DESY), em Hamburgo, Alemanha.

Durante a pandemia global, em 2021 e 2022, a equipe do PNNL usou técnicas desenvolvidas no SLAC para pulverizar uma folha ultrafina de água pura ao longo do caminho de pulso da bomba de raios X.

"Precisávamos de uma camada de água bonita, plana e fina onde pudéssemos focar os raios X", disse Emily Nienhuis, química em início de carreira no PNNL, que iniciou o projeto como pesquisadora associada de pós-doutorado. "Esta capacidade foi desenvolvida no LCLS." No PNNL, Nienhuis demonstrou que esta técnica também pode ser usada para estudar as soluções concentradas específicas que são centrais para o IDREAM EFRC e serão investigadas na próxima etapa da pesquisa.

Da experiência à teoria

Depois que os dados de raios X foram coletados, o químico teórico Xiaosong Li e o estudante de pós-graduação Lixin Lu, da Universidade de Washington, aplicaram seus conhecimentos de interpretação dos sinais de raios X para reproduzir os sinais observados no SLAC. A equipe CFEL, liderada pelo teórico Robin Santra, modelou a resposta da água líquida aos raios X de attossegundos para verificar se o sinal observado estava de fato confinado à escala de tempo de attossegundos.

"Usando o supercomputador Hyak da Universidade de Washington, desenvolvemos uma técnica de química computacional de ponta que permitiu a caracterização detalhada dos estados quânticos transitórios de alta energia na água, "disse Li, Larry R. Dalton Endowed Chair in Chemistry no Universidade de Washington e pesquisador de laboratório do PNNL.

"Este avanço metodológico rendeu um avanço fundamental na compreensão em nível quântico da transformação química ultrarrápida, com precisão excepcional e detalhes em nível atômico."

O investigador principal Young originou o estudo e supervisionou sua execução, que foi liderada no local pelo primeiro autor e pós-doutorado Shuai Li. O físico Gilles Doumy, também de Argonne, e a estudante de pós-graduação Kai Li, da Universidade de Chicago, fizeram parte da equipe que conduziu os experimentos e analisou os dados. O Centro de Materiais em Nanoescala de Argonne, uma instalação do usuário do DOE Office of Science, ajudou a caracterizar o alvo do jato do lençol d'água.

Juntos, a equipe de pesquisa deu uma olhada no movimento em tempo real dos elétrons na água líquida enquanto o resto do mundo estava parado.

“A metodologia que desenvolvemos permite o estudo da origem e evolução de espécies reativas produzidas por processos induzidos por radiação, como os encontrados em viagens espaciais, tratamentos de câncer, reatores nucleares e resíduos legados”, disse Young.

Mais informações: Shuai Li et al, Espectroscopia de raios X com sonda de attosegundo com bomba de attosegundo de água líquida, Science (2024). DOI:10.1126/science.adn6059. www.science.org/doi/10.1126/science.adn6059
Informações do diário: Ciência

Fornecido pelo Laboratório Nacional do Noroeste do Pacífico