Los investigadores dirigidos por Kiyoshi Ueda de la Universidad de Tohoku han investigado lo que realmente hacen los rayos X en la materia e identificado un nuevo mecanismo para producir electrones libres de baja energía. Dado que los electrones de baja energía causan daño a la materia, el proceso identificado podría ser importante para comprender y diseñar el tratamiento con radiación de enfermedades.

Los rayos X son una de las herramientas de diagnóstico más importantes en medicina. biología y ciencias de los materiales, ya que pueden penetrar profundamente en un material que es opaco para el ojo humano. Su paso por una muestra, sin embargo, puede tener efectos secundarios, ya que la absorción de rayos X deposita energía en capas profundas de la muestra. En casos extremos, la aplicación de rayos X está limitada por estos efectos secundarios, conocido como 'daño por radiación'. La medicina es un área en la que se debe minimizar la dosis de rayos X absorbida.

Asombrosamente, no está claro qué sucede cuando se absorbe una radiografía, por ejemplo, en tejido biológico compuesto por agua, biomoléculas y algunos átomos metálicos. Una razón de esto es que los primeros pasos de las reacciones después de la absorción de una radiografía, suceder extremadamente rápido, dentro de 10-100 femtosegundos. Un femtosegundo es la unidad de tiempo SI igual a 10? 15. Para decirlo de otra manera, es una millonésima de una mil millonésima de segundo.

Dentro de este tiempo en una compleja cascada de eventos, se emiten varios electrones, y se crean partículas reactivas cargadas positivamente (iones). La mayoría de los experimentos realizados hasta ahora solo pudieron caracterizar este estado final mucho tiempo después de que se completara la reacción en cascada. Sin embargo, es la comprensión precisa de los pasos intermedios lo que es muy importante para la predicción y el diseño de los efectos de la radiación en la materia.

El equipo ahora ha llevado a cabo un experimento que tomó una vista detallada sin precedentes de los primeros cientos de fs después de la absorción de un rayo X por la materia.

En un sistema biológico, muchas moléculas de agua están dispuestas de manera flexible alrededor de las moléculas biológicamente funcionales, sin vincularlos fuertemente.

Como sistema modelo para eso, un flexible agregado débilmente unido de dos gases nobles diferentes, Ne y Kr, fue creado enfriándolos a temperaturas extremadamente bajas. Estos grupos de Ne-Kr se expusieron luego a rayos X pulsados ​​de la fuente de radiación de sincrotrón SPring-8 que, en las condiciones elegidas para el experimento, átomos de Ne preferentemente ionizados.

Mediante el uso de una configuración experimental avanzada, el equipo pudo registrar todos los electrones e iones que se crearon en cada evento de absorción de rayos X. Descubrieron que solo unos pocos cientos de fs después de la ionización inicial, el átomo de Ne que había absorbido la radiografía, así como dos átomos de Kr vecinos, estaban todos en un ionizado, estado cargado positivamente.

El mecanismo por el cual procede esta redistribución de carga ultrarrápida, propuesto teóricamente por el miembro del equipo de investigación Lorenz Cederbaum, ha sido denominado 'Decaimiento mediado por transferencia de electrones' (ETMD). Consiste en la transferencia de electrones al átomo de Ne originalmente ionizado emparejado por la transferencia de energía desde el Ne, lo que conduce a la ionización del segundo átomo de Kr cercano. El experimento demuestra claramente que la carga altamente localizada producida por los rayos X en la materia, se redistribuye en muchos sitios atómicos en un tiempo sorprendentemente corto.

Kiyoshi Ueda dice:'Creemos que comprender los procesos iniciados por rayos X a un nivel microscópico conducirá a nuevos conocimientos en todas las disciplinas de la física, Biología y Química.'

Estos resultados han sido publicados en la revista científica Comunicaciones de la naturaleza .