O que acontece quando a radiação atinge a água? Essa é uma pergunta que impacta toda vez que você faz uma radiografia no consultório médico, já que você é feito principalmente de água. Uma equipe de físicos teóricos do DESY trabalhou em dados obtidos por colegas do Laboratório Nacional de Argonne, nos EUA, no laser de raios X LCLS, na Califórnia, para obter uma resposta melhor a esta pergunta.



O que descobriram pode resolver uma controvérsia na física sobre a presença de electrões livres na água e como se comportam em escalas de tempo muito curtas:os electrões, não ligados aos átomos, ficam sequestrados em bolhas em estruturas semelhantes a gaiolas entre moléculas individuais de água. Essas descobertas são relatadas no Journal of the American Chemical Society .

Elétrons livres são elétrons que não estão ligados aos átomos. Na água que entra em contato com a radiação, elétrons livres emergem das moléculas de água à medida que elas ionizam devido à radiação. Como os elétrons fluem entre as moléculas de água nesta situação tem sido um tema de discussão há mais tempo.

Em seu trabalho no LCLS no SLAC National Accelerator Laboratory, a equipe experimental, liderada pela cientista de Argonne, Linda Young, viu assinaturas estranhas associadas às moléculas de água excitadas por lasers e fotografadas pelo laser de raios X. Eles encontraram estruturas entre as moléculas usando espectroscopia de absorção de raios X. Para obter uma melhor compreensão do significado destes resultados, a equipa da experiência recorreu a físicos teóricos em Hamburgo.

Uma equipe liderada pelo cientista do DESY, Ludger Inhester, do Center for Free-Electron Laser Science, examinou os dados e começou a fazer modelos a partir dos dados em coordenação com a equipe experimental. Juntas, suas descobertas mostram que os elétrons livres na água formam estruturas de bolhas que são então aprisionadas pelas moléculas de água, semelhante à forma como os produtos químicos são solvatados na água no nível molecular. Em particular, a equipe DESY conseguiu mostrar o processo por trás dessa solvatação de elétrons na água e seus parâmetros.

“Acontece que o processo de dissolução e, portanto, a formação das estruturas da gaiola é extremamente sensível às mudanças de temperatura na água”, diz Arturo Sopena, primeiro autor do estudo.

Os novos insights sobre o processo de solvatação mostram que o elétron, que inicialmente pode ser encontrado em uma ampla área entre as moléculas de água, atraca-se em padrões específicos de ligações de hidrogênio que ocorrem na água líquida molecular e então "se enterra" mais profundamente em uma área muito estreita. área dentro da estrutura da água.

Este "escavamento" e a reorientação associada das moléculas de água vizinhas ocorrem de forma notavelmente rápida e são concluídos em 100 femtossegundos, onde um femtossegundo é um quatrilionésimo de segundo. A bolha, que tem cerca de 50 bilionésimos de metro de largura, se desassocia em vários picossegundos, ou um trilionésimo de segundo.

“Como a água reage quando exposta à radiação? Esta é uma questão vital”, diz Inhester. "Estas são as primeiras etapas da reação química impulsionadas pela radiação que também determinam a química da radiação seguinte, que também se aplica ao material biológico."

O novo trabalho também foi realizado como parte do Cluster of Excellence CUI:Advanced Imaging of Matter da Universität Hamburg. As novas descobertas fornecem mais informações sobre o comportamento dos danos causados ​​pela radiação ionizante na água. Essa investigação relevante sobre a água deverá ser intensificada ainda mais no emergente Centro de Ciência Molecular da Água, que está a ser estabelecido em cooperação internacional no campus DESY.

Mais informações: Arturo Sopena Moros et al, Rastreando a formação de cavidades na solvatação de elétrons:insights da teoria e espectroscopia de raios-X, Journal of the American Chemical Society (2024). DOI:10.1021/jacs.3c11857
Informações do diário: Jornal da Sociedade Química Americana

Fornecido por Deutsches Elektronen-Synchrotron