Una sola radiografía puede desentrañar una molécula enorme, físicos informan en la edición del 17 de marzo de Cartas de revisión física . Sus hallazgos podrían conducir a imágenes médicas más seguras y una comprensión más matizada de la electrónica de los metales pesados.

Las técnicas de imágenes médicas, como las resonancias magnéticas, utilizan metales pesados ​​de la parte inferior de la tabla periódica como "tintes" para hacer que ciertos tejidos sean más fáciles de ver. Pero estos metales, llamados lantánidos, son tóxicos. Para proteger a la persona que recibe la resonancia magnética, algunos químicos envuelven el lantánido dentro de una jaula de átomos de carbono.

El físico molecular Razib Obaid y su mentor, Prof. Norah Berra en el departamento de física, quería saber más sobre cómo interactúan los lantánidos con las jaulas de carbono en las que están envueltos. Las jaulas, 80 átomos de carbono fuertes, se llaman fullerenos y tienen forma de balones de fútbol. En realidad, no se unen al lantánido; el metal flota dentro de la jaula. Hay muchas situaciones similares en la naturaleza. Proteínas por ejemplo, a menudo tienen un metal colgando cerca de un orgánico gigante (es decir, compuesto principalmente de carbono) molécula.

Entonces, Obaid y su equipo de colaboradores de la Universidad Estatal de Kansas, Pulse Institute en Stanford, Instituto Max Planck en Heidelberg, y la Universidad de Heidelberg estudiaron cómo tres átomos del elemento lantánido holmio dentro de un fullereno de 80 carbonos reaccionaban a los rayos X. Su suposición inicial fue que cuando una radiografía golpeó por primera vez uno de los átomos de holmio, sería absorbido por un electrón. Pero ese electrón estaría tan energizado por los rayos X absorbidos que volaría directamente fuera del átomo, dejando un lugar vacante. Ese lugar sería tomado por otro de los electrones del holmio, que tendría que saltar desde el borde exterior del átomo para llenarlo. Ese electrón se había asociado anteriormente con otro electrón en las afueras del átomo. Cuando saltó hacia abajo su ex solitario, llamado electrón Auger, se alejaría de toda la molécula y sería detectado por los científicos. Su energía distintiva lo delataría.

Suena complicado pero ese habría sido el escenario más simple (y por lo tanto más probable), pensaron los físicos. Pero no es lo que vieron.

Cuando Obaid y sus colegas atacaron la molécula de holmio-fullereno con una radiografía suave (alrededor de 160 electronvoltios), el número de electrones Auger detectados era demasiado bajo. Y muchos de los electrones tenían energías mucho menores que las que deberían tener los electrones Auger.

Después de algunos cálculos, el equipo se dio cuenta de que estaban sucediendo más cosas de las que habían imaginado.

Primero, la radiografía golpearía el holmio, que perdería un electrón. El lugar vacante se llenaría entonces con el electrón del borde exterior del átomo de holmio. Eso era correcto. Pero la energía liberada por el electrón que salta (cuando salta 'hacia abajo' desde las afueras del átomo hacia el interior, también salta 'hacia abajo' en energía) luego sería absorbido por la jaula de fullereno de carbono u otro de los átomos de holmio vecinos. En cualquier caso, la energía haría que un electrón adicional se alejara de cualquier cosa que lo absorbiera, la jaula de fullereno o el átomo de holmio.

La pérdida de estos múltiples electrones desestabilizó toda la molécula, que luego se desmoronaría por completo.

¿El final resulto?

"Puede inducir daño por radiación con solo golpear un átomo de 84, "dice Obaid. Es decir, un solo impacto de rayos X es suficiente para destruir todo el complejo de moléculas a través de este proceso de transferencia de energía que involucra átomos vecinos. Da una idea de cómo se produce el daño por radiación en los sistemas vivos, Dice Obaid. Siempre se pensó que la radiación dañaba los tejidos al eliminar los electrones directamente. Este experimento muestra que las interacciones entre un átomo o molécula ionizada y sus vecinos pueden causar incluso más daño y desintegración que la irradiación original.

El trabajo también les da a los físicos médicos una idea de cómo limitar la exposición del paciente a los metales pesados ​​utilizados como tintes en las imágenes médicas. Proteger todas las partes del cuerpo de la radiación, excepto las que se van a fotografiar con tintes de metales pesados, puede restringir potencialmente la exposición a metales pesados, así como el daño por radiación. dicen los investigadores. El siguiente paso de este trabajo sería comprender exactamente qué tan rápido ocurre esta interacción con los vecinos. Los investigadores esperan que tenga lugar en unos pocos femtosegundos (10 ^-15 s).