Investigadores del Laboratorio del Acelerador Nacional SLAC del Departamento de Energía han descubierto un paso clave en la ionización del agua líquida utilizando la cámara de electrones de alta velocidad del laboratorio, "MeV-UED. Esta reacción es de importancia fundamental para una amplia gama de campos, incluida la ingeniería nuclear, viaje espacial, tratamiento del cáncer y remediación ambiental. Sus resultados fueron publicados en Ciencias hoy dia.

Cuando la radiación de alta energía golpea una molécula de agua, desencadena una serie de reacciones ultrarrápidas. Primero, echa un electrón, dejando atrás una molécula de agua cargada positivamente. En una fracción de una billonésima de segundo, esta molécula de agua cede un protón a otra molécula de agua. Esto conduce a la creación de un radical hidroxilo (OH), que puede dañar prácticamente cualquier macromolécula en un organismo. incluido el ADN, ARN y proteínas, y un ion hidronio (H ₃ O ⁺ ), que son abundantes en el medio interestelar y colas de cometas, y puede contener pistas sobre el origen de la vida.

Capturando la pareja inestable

En una anterior Ciencias artículo publicado en 2020, un equipo dirigido por científicos del Laboratorio Nacional Argonne del DOE utilizó el láser de rayos X de la fuente de luz coherente Linac (LCLS) de SLAC para presenciar, por primera vez, la reacción de transferencia de protones ultrarrápida que sigue a la ionización del agua líquida. Pero hasta ahora los investigadores aún tenían que observar directamente el par hidroxil-hidronio.

"Todas las cirugías láser y radioterapias producen este complejo inestable, que puede dar lugar a muchas reacciones químicas en el cuerpo humano, "dice el científico de SLAC y líder del estudio Ming-Fu Lin." Curiosamente, este complejo también ayuda a purificar el agua potable al matar los gérmenes. También es importante en la generación de energía nuclear, donde el agua es ionizada por otras formas de radiación. Muchas simulaciones predicen la existencia de este complejo, pero ahora finalmente hemos observado su formación ".

Para observar el par hidroxil-hidronio de vida corta, Los investigadores crearon chorros de agua líquida de 100 nanómetros de espesor, aproximadamente 1, 000 veces más delgado que el ancho de un cabello humano, e ionizó las moléculas de agua con una intensa luz láser. Luego probaron las moléculas con pulsos cortos de electrones de alta energía de MeV-UED para generar instantáneas de alta resolución del proceso de ionización. Esto les permitió medir los enlaces entre los átomos de oxígeno y los enlaces entre los átomos de oxígeno e hidrógeno al mismo tiempo, capturando así este importante pero inestable complejo.

Abriendo una ventana sobre reacciones químicas

Para dar seguimiento, los investigadores planean aumentar la velocidad de obtención de imágenes para que el proceso de transferencia de protones se pueda medir directamente antes de la formación de los pares hidroxil-hidronio. También esperan observar el electrón expulsado en el agua líquida para comprender mejor cómo afecta el proceso.

"Ambos temas se han estudiado intensamente mediante simulaciones, pero no se han tomado medidas estructurales directas para validar las teorías, "dice Matthias Ihme, profesor asociado en el departamento de Ingeniería Mecánica de la Universidad de Stanford que dirigió el análisis teórico. "Estas mediciones también son críticas para probar nuestros modelos teóricos que predicen estos procesos".

"Muchos estados y estructuras intermedios en las reacciones químicas son desconocidos o aún no se han observado directamente, "agrega Xijie Wang, un científico distinguido del SLAC y colaborador del estudio. "Podemos utilizar MeV-UED para explorar y capturar varios complejos importantes y de corta duración, abriendo una ventana para estudiar las reacciones químicas a medida que ocurren ".